Формирователь шумоподобных фазоманипулированных сигналов
NOISE-LIKE PHASE-SHIFT KEYED SIGNAL SHAPER

Изобретение относится к помехозащищенным системам связи и может быть использовано в радиопередающей аппаратуре для формирования шумоподобных фазоманипулированных сигналов.
Известен способ цифрового формирования широкополосного фазоманипулированного радиосигнала [1], в котором сигналы с расширенным спектром умножаются на сигналы несущей частоты, имеющие форму меандра, а также имеющие сдвиг по фазе на 90° друг относительно друга. В этом способе рассматривается преимущество формирования меандров по сравнению с вычислением или хранением значений тригонометрических функций. Недостаток способа, описанного в [1], состоит в том, что формирование меандров несущей частоты, сдвинутых по фазе на 90° (четверть периода), в цифровом виде возможно при использовании импульсов с частотой повторения, в четыре раза превышающей частоту меандров. Реализация такого способа требует элементной базы с очень высоким быстродействием, что приводит к существенному усложнению устройств формирования сигналов.
Известен малогабаритный передатчик повышенной энергетической скрытности [2]. В данном устройстве используются генераторы линейной псевдослучайной последовательности, что накладывает ограничение на способ формирования этих последовательностей.
Наиболее близкой по технической сущности является передающая часть устройства, описанного в [3], принятая за прототип.
Схема устройства-прототипа приведена на фиг. 1, где приняты обозначения:
1 – синтезатор частот;
2 – формирователь ортогональной псевдослучайной последовательности (ФОПП);
3 – генератор псевдослучайной последовательности (ГПП);
4, 6 – умножители;
5 – фазоманипулятор;
7 – устройство фазирования;
8 – сумматор.
Устройство-прототип содержит синтезатор частот 1, первый выход которого соединен с первым входом формирователя ортогональной псевдослучайной последовательности (ФОПП) 2 и с первым входом генератора псевдослучайной последовательности (ГПП) 3. Второй выход синтезатора частот 1 соединен со вторым входом умножителя 4, а третий выход – с первым входом фазоманипулятора 5, выход которого подключен ко второму входу умножителя 6. Второй вход фазоманипулятора 5 является входом информационной последовательности. Вторые входы ФОПП 2 и ГПП 3 соединены с выходами устройства фазирования 7. Выход ФОПП 2 соединен с первым входом умножителя 4, выход которого подключен к первому входу сумматора 8. Выход ГПП 3 соединен с первым входом умножителя 6, выход которого подключен ко второму входу сумматора 8, выход которого является выходом устройства-прототипа.
Устройство-прототип работает следующим образом.
Синтезатор частот 1 формирует синусную и косинусную составляющие несущей частоты и тактовую частоту для формирования псевдослучайных последовательностей. С первого выхода синтезатора частот 1 сигналы тактовой частоты подаются на ФОПП 2 и ГПП 3, которые вырабатывают две ортогональные псевдослучайные последовательности, фазировка которых осуществляется устройством фазирования 7. С ФОПП 2 и ГПП 3 псевдослучайные последовательности поступают на первые входы умножителей 4 и 6 соответственно. На второй вход умножителя 4 поступает сигнал синусной составляющей несущей частоты с синтезатора частот 1. На второй вход умножителя 6 поступает сигнал косинусной составляющей несущей с синтезатора частот 1, проманипулированный по фазе на 0° и 180° в фазоманипуляторе 5 по закону передаваемой информационной последовательности. На выходах умножителей 4 и 6 образуются фазоманипулированные ортогональные сигналы, которые складываются в сумматоре 8, образуя четырехфазный широкополосный сигнал.
Недостатком устройства-прототипа является то, что сигнал формируется аналоговым способом, при котором обеспечивается сравнительно невысокая точность фазовой манипуляции, что снижает помехозащищенность системы связи. Кроме того, реализация синтезатора частот, формирующего сигналы несущей частоты, сдвинутые между собой по фазе на 90° с высокой точностью, требует применения элементной базы с высоким быстродействием.
Во многих передающих системах радиосвязи сигнал формируется на промежуточной частоте, затем переносится на несущую частоту одним или несколькими преобразователями частоты. В этом случае наличие дополнительного устройства усложняет конструкцию формирователя.
Задачей предлагаемого устройства является цифровое формирование шумоподобных фазоманипулированных сигналов, не требующее дополнительных преобразований частоты и высокого быстродействия элементной базы.
Для решения поставленной задачи в формирователь шумоподобных фазоманипулированных сигналов, содержащий генератор псевдослучайной последовательности (ГПП) и формирователь ортогональной псевдослучайной последовательности (ФОПП), первые входы которых соединены с первым выходом синтезатора частот, а вторые входы соединены с соответствующими выходами устройства фазирования, а также содержащий два умножителя, выходы которых соединены со входами сумматора, а первый вход первого умножителя соединен с выходом ФОПП, согласно изобретению, введены последовательно соединенные с выходом сумматора цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), полосовой фильтр и усилитель, выход которого является выходом формирователя, а также введены последовательно соединенные со вторым выходом синтезатора частот вычислитель фазы и постоянное запоминающее устройство таблицы косинусов и синусов, выходы которого соединены со вторыми входами соответствующих умножителей, и введен сумматор по модулю два, выход которого соединен с первым входом второго умножителя, первый вход соединен с выходом ГПП, а второй вход является информационным входом формирователя, кроме того, первый выход синтезатора частот соединен со входом устройства фазирования, а второй выход соединен со вторым входом ЦАП.
На фиг. 2 представлена схема заявляемого устройства, где обозначено:
1 – синтезатор частот;
2 – формирователь ортогональной псевдослучайной последовательности (ФОПП);
3 – генератор псевдослучайной последовательности (ГПП);
4, 6 – умножители;
7 – устройство фазирования;
8 – сумматор;
9 – вычислитель фазы;
10 – постоянное запоминающее устройство таблицы косинусов и синусов (ПЗУ);
11 – цифроаналоговый преобразователь (ЦАП);
12 – полосовой фильтр;
13 – усилитель;
14 – сумматор по модулю два.
Формирователь содержит синтезатор частот 1, первый выход которого соединен с первыми входами ФОПП 2 и ГПП 3 и входом устройства фазирования 7, соответствующие выходы которого соединены со вторыми входами ФОПП 2 и ГПП 3. Выход ФОПП 2 соединен с первым входом умножителя 4, второй вход которого подключен к первому выходу ПЗУ 10. Второй выход ПЗУ 10 соединен со вторым входом умножителя 6, первый вход которого подключен к выходу сумматора по модулю два 14, первый вход которого соединен с выходом ГПП 3, а второй вход является информационным входом формирователя. Второй выход синтезатора частот 1 соединен со входом вычислителя фазы 9, выход которого подключен ко входу ПЗУ 10. Выходы умножителей 4, 6 соединены со входами сумматора 8, выход которого подключен к первому входу ЦАП 11, второй вход которого соединён со вторым выходом синтезатора частот 1. Выход ЦАП 11 соединен с выходом формирователя через полосовой фильтр 12 и усилитель 13.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Синтезатор частот 1 формирует на первом выходе импульсы тактовой частоты модулирующих псевдослучайных последовательностей, поступающие на первые (тактовые) входы ФОПП 2 и ГПП 3, а также вход устройства фазирования 7. Устройство фазирования 7, представляющее собой делитель частоты, формирует две последовательности импульсов длительностью одного периода тактовой частоты с периодами повторения, равными периодам повторения формируемых псевдослучайных последовательностей. Эти периоды могут быть одинаковыми или кратными. Формируемые импульсы устанавливают ФОПП 2 и ГПП 3 в исходные состояния, после чего они начинают формировать двоичные квазиортогональные или ортогональные псевдослучайные последовательности, сфазированные между собой. Выходная двоичная последовательность импульсов ГПП 3 складывается по модулю два с передаваемой двоичной информацией и поступает на первый вход умножителя 6. Последовательность импульсов с выхода ФОПП 2 поступает на первый вход умножителя 4 без изменений.
Синтезатор частот 1 формирует на втором выходе импульсы высокостабильной частоты , равной частоте следования отсчетов (частоте дискретизации) формируемого цифрового фазоманипулированного сигнала. Эти импульсы поступают на тактовые входы вычислителя фазы 9 и ЦАП 11. Вычислитель фазы 9, представляющий собой накапливающий сумматор, по приходу каждого тактового импульса увеличивает значение фазы на постоянную величину . На его выходе формируется последовательность -разрядных двоичных чисел вида
,
где  = 0, 1, 2 …. Эта последовательность поступает на адресный вход ПЗУ 10, в котором хранятся таблицы косинусов и синусов фазы. На выходах ПЗУ 10 формируются отсчеты двух гармонических сигналов, сдвинутых между собой по фазе на 90°. Они имеют вид
Последовательность отсчетов  поступает на второй вход умножителя 4, а  – на второй вход умножителя 6. В умножителях 4 и 6 значения отсчетов умножаются на минус 1, если на их первых входах присутствуют сигналы с уровнем логической единицы, а в противном случае на 1.
Если обозначить текущее значение псевдослучайной последовательности, формируемой ФОПП 2, как , текущее значение последовательности генератора ГПП 3 как , а значение информационного бита – , то на выходах умножителей 4 и 6 формируются временные последовательности чисел:
На выходе сумматора 8 образуется последовательность
.
После преобразования в ЦАП 11 формируется аналоговый сигнал, который кроме основной составляющей, имеющей вид
,
содержит комбинационные гармоники вида
где  = 1, 2, …. Спектр выходного сигнала ЦАП 11 изображён на фиг. 3а. В полосовом фильтре 12 выделяется требуемая гармоника. Для примера, приведенного на фиг. 3б, она имеет вид
,
что соответствует несущей частоте сигнала
.
Выходной сигнал полосового фильтра 12 усиливается в усилителе 13 и поступает на выход формирователя.
Таким образом, для формирования сигнала используется частота дискретизации , в несколько раз меньшая несущей частоты сигнала, что снижает требование к быстродействию элементной базы.
РЕАЛИЗАЦИЯ
Для формирования сигналов во всем УКВ диапазоне частота дискретизации  должна быть порядка 100МГц. С учетом этого, в качестве ЦАП 11 может быть применена микросхема 1273ПА7Т [4]. С точки зрения уменьшения габаритов, остальная цифровая часть формирователя могла бы быть выполнена на ПЛИС, однако быстродействия существующих отечественных ПЛИС оказывается недостаточно. Для анализа других вариантов реализации нужно выделить функциональный узел формирователя, состоящий из ФОПП 2, ГПП 3, устройства фазирования 7 и сумматора по модулю два 14. Его назначение – формирование двух двоичных модулирующих последовательностей. Их тактовая частота составляет, как правило, единицы мегагерц, поэтому этот узел может быть выполнен как на ПЛИС, например, 5576ХС2Т [5], так и на микроконтроллере или микропроцессоре. Конкретный выбор определяется назначением формирователя. Если он входит в состав передающего устройства, целесообразно использовать микроконтроллер, например, 1882ВЕ53У [6], дополнительно реализующий функции управления и взаимодействия с источником информации. Если формирователь входит в состав приемо-передающей аппаратуры, целесообразно использовать сигнальный процессор, например, 1892ВМ10Я [7], осуществляющий помимо формирования модулирующих последовательностей обработку принимаемого сигнала. В этом же случае для реализации узла формирователя, состоящего из вычислителя фазы 9, ПЗУ 10, умножителей 4 и 6 и сумматора 8, целесообразно использовать СБИС цифрового приемника 1288ХК1Т [8], содержащую эти блоки в своем составе и обеспечивающую, тем самым, не только цифровой прием сигналов, но и их формирование с частотой дискретизации  до 100 МГц. В итоге, цифровая часть формирователя полностью реализуется в цифровой части приемного устройства.
Источники информации
1. Патент РФ на изобретение №2475935 «Способ цифрового квадратурного формирования фазоманипулированного радиосигнала с расширенным спектром». / Косилов И. С., Кочетков Ю. А., Лобов Е. М., Романов Э. Ю. – 2013.
2. Патент РФ на изобретение №2568288 «Малогабаритный передатчик повышенной энергетической скрытности». / Карпов В. В., Филатов В. И., Макаров Д. В., Окань И. Н. – 2015.
3. Патент РФ на изобретение №2154898 «Система связи на основе шумоподобных сигналов». / Турецкий М. А., Волков В. В., Пинаев С. А., Горшков В. А., Краснопирка А. М., Озеран Н. И., Атапин А. С., Свалов Е. Н. – 2000.
4. http://niiet.ru/product/id27 – 14-разрядный ЦАП с токовым выходом 1273ПА7Т предприятия АО «Научно-исследовательский институт электронной техники».
5. http://caxapa.ru/parts/files/7R2syXC.pdf – микросхемы интегральные 5576ХС2Т, техническое описание.
6. http://niiet.ru/product/id3 – внутрисхемно-программируемый 8-разрядный микроконтроллер с ПЗУ типа Flash 1882ВЕ53У предприятия АО «Научно-исследовательский институт электронной техники».
7. http://multicore.ru/index.php?id=1149 – цифровой сигнальный процессор 1892ВМ10Я компании АО НПЦ «Элвис».
8. http://multicore.ru/index.php?id=50 – четырехканальный цифровой SDR-приемник 1288ХК1Т компании АО НПЦ «Элвис».