СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА ДИСКРЕТНОЙ ИНФОРМАЦИИ В РАДИОЛИНИИ С ПСЕВДОСЛУЧАЙНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ РАБОЧЕЙ ЧАСТОТЫ
TRANSMITTING AND RECEIVING METHOD OF DISCRETE INFORMATION IN RADIO LINE WITH PSEUDO-RANDOM TUNING OF OPERATING FREQUENCY

Изобретение относится к радиосвязи, а именно к передаче дискретной информации сигналами с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ).
Предлагаемый способ может быть использован к радиолиниях с ППРЧ большой протяженности, например на линиях спутниковой связи.
Известен способ передачи дискретной информации в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей часты (см. Горшков В.В., Куксин О.В., Рубцов С.Л., Сухов Л.В. Военные системы связи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. Зарубежная радиоэлектроника, 3, 1986, с.3-13), заключающий и том, что на передающем конце из информационного сигнала формируются пакеты, которыми модулируют соответствующие несущие частоты и излучает в пространство, на приемном конце радиолинии, сигнал принимают, преобразуют на промежуточную частоту, демодулируют и передают на оконечную аппаратуру.
Недостатком данного способа является относительно низкая помехоустойчивость, обусловленная тем, что при совпадении частот приема абонента сети с частотами мешающих станций вероятность ошибочного приема сигнала на этой частоте резко увеличивается, что приведет к ухудшению качества связи ниже допустимого.
Известен также способ передачи информации к радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей часты (см. патент РФ №2099886, кл. H04L 5/02, опубл. в 1997 г.), заключающийся в том, что на передающем конце из информационного сигнала формируют пакеты, которыми модулируют соответствующие несущие частоты и излучают в пространство. Несущую частоту выбирают с учетом помеховой обстановки на частотах, задаваемых К генераторами псевдослучайной последовательности. Прием сигнала, его преобразование на промежуточную частоту, демодуляцию производят на всех К каналах. Вывод о том, по какому из каналов проводилась передача информации, делают на основании анализа адреса принятого пакета.
Недостатком указанного способа является также относительно низкая помехоустойчивость. Это объясняется отличием помеховой обстановки на передающем и приемном концах радиолинии, что характерно для радиолиний большой протяженности, что может привести к выбору рабочей частоты передачи, пораженной помехой на приемном конце, и, следовательно, к ухудшению качества связи ниже допустимого.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению (прототипом) является способ передачи дискретной информации в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты и устройство, его реализующее (см. патент РФ №2178237, кл. Н04В 1/713, опубл. в 2001 г., БИ №10). Известный способ заключается в том, что на передающем конце входной сигнал делят на блоки заданной длины, перестраивают несущую частоту передатчика в соответствии с кодом одной из двух или более псевдослучайных последовательностей, модулируют ее соответствующим пакетом и излучают его в пространство, принимают радиосигнал одновременно на всех частотах согласно кодам псевдослучайных последовательностей, выбирают тот частотный канал, по которому проводилась передача, преобразуют сигнал на промежуточную частоту, усиливают, демодулируют, декодируют пакет и подают информационный сигнал на оконечное устройство. На приемном конце радиолинии одновременно с приемом информационного сигнала осуществляют прием на всех частотах, соответствующих последующим тактам кодов псевдослучайных последовательностей, проводят контроль уровня помех на этих частотах и, при наличии помехи на контролируемой частоте рабочей программы, формируют управляющую информацию на перестройку передатчика корреспондента на частоту с наименьшим уровнем помех. Формируют пакеты информации путем присоединения к блокам информационного сигнала управляющей информации, модулируют несущую своего передатчика соответствующим пакетом информации, излучают промодулированную несущую в пространство. На передающем конце одновременно с излучением модулированной несущей в пространство, осуществляют прием информационного сигнала одновременно на всех частотах согласно кодам псевдослучайных последовательностей. Выбирают тот частотный канал, по которому проводилась передача, преобразуют сигнал на промежуточную частоту, усиливают и демодулируют, декодируют пакет с выделением блока информационного сигнала, поступающего на оконечное устройство, и блока, содержащего информацию по управлению своим передатчиком для его последующей перестройки на частоту с наименьшим уровнем помех, оптимальную для приемного конца.
Недостатком ближайшего аналога является относительно низкая помехоустойчивость, так как управление законом перестройки частоты передатчика в радиолиниях с большой дальностью связи неэффективно из-за существенного превышения времени распространения сигнала по каналу обратной связи длительности нахождения сигнала на данной частотной позиции. Кроме того, управление законом перестройки частоты передатчика неэффективно в условиях преднамеренных помех, когда период перестройки по частоте помехи совпадает с периодом псевдослучайной перестройки рабочей частоты радиолинии.
Целью настоящего изобретения является разработка способа передачи и приема дискретной информации в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты, обеспечивающего повышение помехоустойчивости приема дискретной информации за счет мажоритарного декодирования и использования значений вероятности ошибки однократного приема бита.
с+п
п
с
с+п
п
с
п
ош1
ош1
ош1
ош
2
2
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе передачи и приема дискретной информации в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочих частот, на передающем конце радиолинии формируют пакеты информации путем деления информационного сигнала на блоки заданной длины, перестраивают несущую частоту передатчика на частоту, соответствующую коду псевдослучайной последовательности, модулируют несущую частоту передатчика и излучают радиосигнал, а на приемном конце радиолинии принимают переданный радиосигнал, преобразуют его на промежуточную частоту, усиливают и демодулируют. На передающем конце радиолинии, пакеты информации формируют в виде блоков заданной длины с N-кратным повторением каждого информационного бита, где N≥3. На приемном конце каждый бит информационного сигнала принимают N раз на К частотных позициях, соответствующих коду псевдослучайной последовательности. На каждой частотной позиции вычисляют вероятность ошибки однократного приема бита, для чего измеряют и запоминают мощность смеси принимаемого сигнала и помехи Р на частоте n-го такта псевдослучайной перестройки рабочей частоты. На временном интервале (n-1)-го такта на частоте n-го такта псевдослучайной перестройки рабочей частоты измеряют и запоминают мощность помехи Р. После чего по полученным данным вычисляют мощность сигнала Р как разность мощности смеси сигнала и помехи Р и мощности помехи Р. Далее вычисляют h как отношение мощности сигнала Р к мощности помехи Р и, зная вид модуляции сигнала, находят вероятность ошибки однекратно принятого бита р=f(h) на n-м такте псевдослучайной перестройки рабочей частоты. Запоминают значения однократно принятого бита и соответствующее ему значение вероятности ошибки р. Ранжируют значения однократно принятых битов в соответствии с величинами вероятностей ошибок р. Затем одновременно для ранжированных М-последовательностей однократно принятых битов, где М=N, М=N-2, М=N-4, …, М=3, применяют мажоритарное декодирование, при котором принимают то значение переданного бита, которое большее число раз содержится в последовательности из М однократно принятых битов. Одновременно для каждого значения М вычисляют вероятность ошибки р(М) по формуле
kj
ош1
k
ош 1k
где М - число повторений информационного бита;  - число сочетаний из М по i; q - вероятность правильного приема (1-р) или ошибки р k-го однократно примятого бита в j-м сочетании i неверно принятых битов в М - последовательности.
ош
ош
Сравнивают полученные значения р(М) для каждого М между собой и выбирают то решение о переданном бите, которое соответствует минимальному значению р(М).
ош
Благодаря новой совокупности существенных признаков, в способе реализован принцип выборочного мажоритарного декодирования по вероятности ошибок приема N раз повторенного информационного бита и принятие итогового решения о переданном бите после сравнения между собой вычисленных вероятностей ошибок р(М) для всех ранжированных М-последовательностей однократно принятых битов, чем и достигается повышения помехоустойчивости приема дискретной информации в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты.
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показано:
фиг.1 - N-кратное повторение информационного бита при его передаче на разных частотных позициях;
фиг.2 - вероятность ошибки при однократном приеме бита;
фиг.3 - ранжирование решений об однократно переданном бите в зависимости от вероятности ошибки;
фиг.4 - полная N-выборка решений об однократно переданном бите для мажоритарного принятия решения;
фиг.5 - выборка из (N-2)-x лучших решений об однократно переданном бите для мажоритарного принятия решения;
фиг.6 - выборка из трех лучших решений об однократно переданном бите для мажоритарного принятия решения;
фиг.7 - итоговая длина выборки и вероятность ошибки итогового решения о значении переданного бита;
ош1
2
фиг.8 - общий вид зависимости р от h.
Возможность реализации заявленного способа объясняется следующим. При наличии естественных или преднамеренных помех для повышения помехоустойчивости радиолинии используют сигналы с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты с управляемым законом ее перестройки. В радиолиниях большой протяженности, например в линиях спутниковой связи, помеховая обстановка на ее передающем и приемном конце сильно различается, а длительность нахождения радиосигнала с ППРЧ на одной частотной позиции существенно меньше времени его распространения. В этом случае при наличии естественных или преднамеренных помех и управление датчиком псевдослучайной перестройки рабочей частоты, использующее канал обратной связи, не эффективно. Указанное противоречие устраняется в заявляемом способе путем адаптации по вероятности ошибки мажоритарной схемы принятия решения на приемном конце радиолинии.
При работе сигналами с ППРЧ генератор случайной последовательности вырабатывает команды на перестройку рабочей частоты (несущей) по равновероятному псевдослучайному закону.
Известны способы, когда на передающем конце радиолинии последовательность информационных битов делят на блоки заданной длины (пакеты). Каждый пакет передают и принимают N раз на К частотных позициях, соответствующих коду псевдослучайной последовательности (фиг.1). При этом каждый информационный бит передают и принимают N раз, что позволяет на приемном конце радиолинии использовать мажоритарную схему принятия решения.
В реальных радиолиниях вероятность ошибки однократного приема бита на разных частотных позициях различна (фиг.2). В этом случае значимость одиночных решений в мажоритарной схеме декодирования различна, что не учитывается в известных аналогах и прототипе.
Известно, что для повышения верности мажоритарного декодирования однократные решения о переданном бите с высокой вероятностью ошибки целесообразно исключить (см. Смирнов П.В., Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений, 2-е изд. - М.: Наука, 1965, с.63-67).
Таким образом, к заявляемом способе предлагается:
1) ранжировать решения об однократно переданном бите в зависимости от вероятности ошибки (фиг.3);
2) сформировать ранжированные однократно принятые биты, каждый раз отбрасывая по 2 одиночных решения с максимальной вероятностью ошибки, где М=N (полная выборка, фиг.4), М=N-2 (фиг.5), M=N-4, …, М=3 (минимальная выборка, фиг.6);
3) одновременно для всех ранжированных М-последовательностей применить мажоритарное декодирование, при котором принимается то значение переданного бита, которое большее число раз содержится в последовательности из М однократно принятых битов;
ош
4) одновременно, решая переборную задачу, для всех ранжированных М-последовательностей вычислить вероятность ошибки р(М) по формуле
kj
ош1
k
ош 1k
где М - число повторений информационного бита;  - число сочетаний из М по i; q - вероятность правильного приема (1-р) или ошибки р k-го однократно принятого бита в j-м сочетании i неверно принятых битов в M-последовательности.
Например, при М=3 вероятность ошибочного приема бита при мажоритарном декодировании определяется выражением:
ош
ош1
ош2
ош3
ош1
ош2
ош3
ош1
ош2
ош3
ош1
ош2
ош3
р(3)=ррр+(1-р)рр+р(1-р)р+рр(1-р).
ош
ош
5) сравнить полученные значения р(М) для каждого М между собой и выбирать то итоговое решение о переданном бите, которое соответствует минимальному значению р(М) (фиг.8).
ош1
с
п
2
Для реализации заявляемого способа необходимо знать вероятность ошибки однократного приема бита для каждой частотной позиции или, что то же самое, для каждого такта сигнала с ППРЧ. Известно, что вероятность ошибки однократного приема бита р для заданного вида модуляции радиосигнала однозначно определяется величиной h - отношением мощности сигнала Р к мощности помехи Р на входе демодулятора (фиг.8) (см. Б.Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, 2-е изд.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003, с.146-158).
2
2
с+п
п
п
с
с+п
п
с
п
Для вычисления h на длительности и частоте n-го такта псевдослучайной перестройки рабочей частоты измеряют и запоминают мощность смеси принимаемого сигнала и помехи Р. Мощность помехи Р для заданной частотной позиции измеряют непосредственно перед скачком на нее сигнала. То есть, мощность помехи измеряют на временном интервале (n-1)-го такта на частоте n-го такта псевдослучайной перестройки рабочей частоты и запоминают полученное значение Р. После чего по полученным данным вычисляют мощность сигнала Р как разность мощности смеси сигнала и помехи Р и мощности помехи Р. Далее вычисляют h как отношение мощности сигнала Р к мощности помехи Р.
ош
Таким образом, благодаря выборочному мажоритарному декодированию по вероятности ошибок приема N раз повторенного информационного бита и принятию итогового решения о переданном бите после сравнения между собой вычисленных вероятностей ошибок р(М) для всех ранжированных М-последовательностей однократно принятых битов, достигается повышение помехоустойчивости приема дискретной информации в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты и, следовательно, реализуется сформулированный технический результат.