Способ расширения спектра сигналов
METHOD FOR SPREADING SIGNALS SPECTRUM

Изобретение относится к помехозащищённым системам связи и позволяет формировать шумоподобные сигналы повышенной разведзащищённости и устойчивости к воздействию узкополосных помех.
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 [3]. С другой стороны, так же хорошо исследованы методы их радиотехнической разведки (РТР). Разработаны методики определения несущей частоты сигналов, тактовой частоты и структуры модулирующих последовательностей [4]. Это снижает разведзащищенность радиосистем, использующих DS-сигналы.
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, устойчивости к воздействию узкополосных помех и снижение уровня внеполосного излучения передающих устройств.
Наиболее близким по количеству совпадающих признаков с заявляемым способом является способ расширения спектра, описанный в [5] и принятый в качестве прототипа.
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), которые, как уже говорилось ранее обладают низкой разведзащищенностью.
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, до и после каждого элемента преобразованной синхронизирующей ПСП вводят дополнительный элемент, равный по значению его половине, а до и после каждого элемента преобразованной информационной ПСП вводят дополнительный элемент, равный по значению его половине с противоположным знаком, формируют последовательность комплексных чисел, действительная часть которых является элементом одной из удлиненных последовательностей, а мнимая – элементом другой, поэлементно умножают сформированную последовательность на последовательность положительных чисел, корректирующих форму спектра сигнала, дополняют в начале и конце 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 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. До и после каждого элемента преобразованной синхронизирующей ПСП вводят дополнительный элемент, равный по значению его половине.
5. До и после каждого элемента преобразованной синхронизирующей ПСП вводят дополнительный элемент, равный по значению его половине с противоположным знаком.
6. Формируют последовательность комплексных чисел, действительная часть которых является элементом одной из удлиненных последовательностей, а мнимая – элементом другой.
7. Поэлементно умножают последовательность комплексных чисел на последовательность положительных чисел, корректирующих форму спектра сигнала (для выравнивания спектра сигналов после цифро-аналогового преобразования).
8. Дополняют полученную последовательность в начале и конце нулевыми элементами до получения общего количества элементов, равного целой степени числа два.
9. Осуществляют обратное дискретное преобразование Фурье полученной последовательности.
10. Последовательности действительных и мнимых частей полученных отсчетов преобразуют в аналоговые сигналы в ЦАП.
11. Выходные сигналы ЦАП фильтруют в ФНЧ (для подавления гармоник).
12. Формируют два радиочастотных сигнала, отличающиеся только фазами, разность которых составляет 90 градусов.
13. Выходные сигналы ФНЧ умножают на радиочастотные сигналы и складывают.
С математической точки зрения процессы формирования сигнала могут быть представлены следующим образом.
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.
После введения дополнительных элементов образуются последовательности длиной  элементов
и ,
элементы которых имеют вид:
где .
Последовательность комплексных чисел имеет вид . После поэлементного умножения на последовательность  положительных чисел, корректирующих форму спектра сигнала, образуется последовательность ,
где ,
Элементы последовательности после дополнения её нулевыми элементами можно представить в виде
при  ,
при ,  .
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
Последовательность  выбирают таким образом, что
то есть  В этом случае
Как видно, сформированный сигнал состоит из двух сигналов. Один из них, назовем его синхронизирующим, образован синхронизирующей ПСП и имеет вид:
А второй сигнал, информационный, 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 времени  равна
3.  Энергия информационного сигнала  на интервале времени  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  и  информационной ПСП, на интервале времени   определяется как
где  – автокорреляционная функция информационной ПСП.
Используемые 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. Средняя 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  средней 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 1 % полосы  спектральная плотность мощности уменьшается на 56 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 сигналов ансамбля.
10. Существующие методы РТР, применимые к фазоманипулированным ШПС, для заявляемых сигналов непригодны. Более того, для них не существуют понятия тактовой частоты ПСП и несущей частоты 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:
– установление 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 .
Одним из преимуществ формируемых сигналов является повышенная устойчивость к узкополосным помехам. В приемных устройствах шумоподобных фазоманипулированных сигналов используются специальные блоки защиты от узкополосных помех, размещаемые перед устройствами поиска, синхронизации и демодуляции сигналов, и функционирующие независимо от них. Они представляют собой адаптивные фильтры, АЧХ которых подстраивается под спектр входного сигнала с целью режекции участков пораженных помехами. Обладая инерцией, такие блоки защиты не обеспечивают эффективное подавление узкополосных помех в условиях быстро изменяющейся помеховой обстановки.
В приемных устройствах сигналов, формируемых в соответствии с заявляемым способом, процесс подавления узкополосных помех и оценки передаваемого символа может быть совмещен. Это связано с тем, что информационный сигнал имеет вид
Оптимальный прием таких сигналов включает вычисление взаимной корреляции принимаемого сигнала с синхронизированными копиями всех возможных информационных сигналов без учета дополнительного бита информации.
Таким образом, вычисляется множество чисел  вида
где  – входной сигнал приемника.
Отсюда видно, что входной сигнал предварительно умножается на весовую функцию , после чего вычисляются амплитуды  спектральных составляющих с частотами , которые складываются со знаками, определяемыми циклически сдвинутой информационной ПСП. Благодаря умножению входного сигнала на весовую функцию не происходит значительного расширения спектра принимаемых узкополосных помех и появляется возможность их подавления без существенных потерь энергии сигнала. Для этого перед окончательным вычислением множества  необходимо преобразовать множество амплитуд .
Алгоритмы преобразования могут быть разными, но цель одна – обеспечение максимального отношения сигнал/шум в множестве  Например, возможен такой алгоритм.
1. Определяют некоторое количество минимальных значений  и их усредняют.
2. Формируют порог  равный произведению усредненного значения на постоянный коэффициент.
3. Каждый элемент множества , для которого , умножают на
Совмещение процесса подавления узкополосных помех с оценкой принимаемого информационного символа повышает помехозащищенность приема информации в условиях быстро меняющейся помеховой обстановки.
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, 10 – коммутаторы;
11 – счетчик по модулю три;
12, 13 – умножители;
14 – постоянное запоминающее устройство коэффициентов коррекции спектра (ПЗУ);
15, 16 – коммутаторы;
17 – счетчик-распределитель;
18 – блок обратного дискретного преобразования Фурье (блок ОДПФ);
19, 20 – цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП);
21 – синтезатор частот;
22, 23 – фильтры нижних частот (ФНЧ);
24 – фазовращатель;
25, 26 – перемножители;
27 – сумматор.
Устройство работает следующим образом. Передаваемая двоичная информация поступает на последовательно-параллельный преобразователь 1, в котором разделяется на двоичные символы, поступающие на входы начальной установки генератора информационной ПСП 2. Генератор информационной ПСП 2, так же как и генератор синхронизирующей ПСП 3, выполнен на основе универсального регистра с сумматором по модулю два в цепи обратной связи выхода со входом. Входами начальной установки генераторов являются входы параллельной записи регистров. Тактовый вход каждого генератора является тактовым входом регистра, а вход разрешения начальной установки – входом выбора режима параллельной записи регистра.
Синтезатор частот 21 вырабатывает гармонический сигнал частотой , а также тактовые импульсы частотой , которые поступают на тактовые входы ЦАП 19, 20, счетчика-распределителя 17, блока ОДПФ 18, ПЗУ 14 и счетчика по модулю три 11. Счетчик-распределитель 17 осуществляет счет импульсов, следующих с частотой , по модулю числа  и вырабатывает импульс синхронизации в момент своего последнего го состояния, который поступает на блок ОДПФ 18. Кроме того, он вырабатывает импульс управления коммутаторами 15, 16 длительностью от го состояния счетчика до го состояния, поступающий на ходы управления коммутаторов 15, 16, ПЗУ 14, последовательно – параллельного преобразователя 1 и входы разрешения начальной установки генераторов ПСП 2, 3.
Пока этот импульс отсутствует, ПЗУ 14 находится в исходном состоянии, в генератор информационной ПСП 2  записывается код начальной установки с выходов последовательно-параллельного преобразователя 1, а в генератор синхронизирующей ПСП 3 записывается фиксированный код. После появления импульса управления коммутаторами 15, 16 генераторы ПСП 2, 3 начинают формировать ПСП с длительностью элементов, равной периоду следования выходных импульсов счетчика по модулю три 11. Тактовыми импульсами счетчика по модулю три 11 являются импульсы частоты , поэтому длительность одного элемента ПСП равна трем периодам импульсов частоты .
Синхронизирующая ПСП поступает в преобразователь кода 6, где преобразуется в последовательность чисел  и минус . Информационная ПСП складывается в сумматоре по модулю два  4 с дополнительным битом информации, поступающим с одного из выходов последовательно-параллельного преобразователя 1, и в преобразователе кода 5 преобразуется в последовательность чисел  и минус . Выходной сигнал преобразователя кода 5 поступает на вход коммутатора 9, а также вход умножителя 7, где умножается на число минус 0,5 и подается на второй вход коммутатора 9.
Выходной сигнал преобразователя кода 6 поступает на вход коммутатора 10, а также вход умножителя 8, где умножается на число 0,5 и подается на второй вход коммутатора 10.
Управление коммутаторами 9, 10 осуществляется сигналом со второго выхода счетчика по модулю три 11. При этом коммутаторы 9, 10 пропускают на выходы сигналы преобразователей кодов 5, 6 в средней трети интервала времени следования каждого элемента ПСП.
Выходные сигналы коммутаторов 9, 10 подаются на входы умножителей 12 и 13, где умножаются на последовательность коэффициентов коррекции спектра , считываемой из ПЗУ 14 с частотой .
Выходные сигналы умножителей 12 и 13 подаются на входы коммутаторов 15 и 16. При отсутствии импульса управления коммутаторами 15, 16 на их выходах устанавливаются коды, соответствующие нулевым числам, поэтому в это время в блок ОДПФ 18 записываются нулевые данные с частотой . После прихода импульса управления коммутаторами 15, 16 в блок ОДПФ 18 начинают записываться данные с выходов умножителей 12 и 13, объединяемые в комплексные числа.
После пропадания импульса управления коммутаторами 15, 16 в блок ОДПФ 18 продолжают записываться нулевые данные до появления импульса синхронизации с выхода счетчика-распределителя 17.
По приходу этого импульса записывается последнее нулевое данное, и блок ОДПФ 18 переключается на запись нового массива данных и обработку записанного массива. Преобразованные данные выдаются на выход блока ОДПФ 18 с той же частотой , что и записываются, но с некоторой задержкой. Последовательность действительных частей выходных данных блока ОДПФ 18 поступает на ЦАП 19, а мнимых частей - на ЦАП 20. Выходные сигналы ЦАП 19 и ЦАП 20 фильтруются в ФНЧ 22 и ФНЧ 23 соответственно. Фильтры нижних частот 22 и 23 имеют полосу пропускания не менее, чем , и частоту задерживания не более .
Выходные сигналы фильтров поступают на перемножители 25 и 26, где умножаются на гармонические сигналы частоты , разность фаз которых составляет 90 градусов. На перемножитель 26 гармонический сигнал поступает непосредственно с выхода синтезатора частот 21, а на перемножитель 25 -  с выхода фазовращателя 24, в котором выходной сигнал синтезатора частот 21 сдвигается по фазе на 90 градусов. Выходные сигналы перемножителей 25, 26 складываются в сумматоре 27, выход которого является выходом формирователя.
Последовательно-параллельный преобразователь 1 устанавливает на своих выходах очередные передаваемые данные по окончании каждого импульса управления коммутаторами 15, 16. Для синхронизации работы ПЗУ 14 и генераторов ПСП 2, 3 счетчик-распределитель 17 в своем -м состоянии вырабатывает импульс, поступающий на вход обнуления счетчика по модулю три  11.
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. Патент RU 2265962 С1. Устройство для формирования сложного фазоманипулированного сигнала. Опубликован 10.12.2005.
4. Смирнов Ю. А. Радиотехническая разведка. – М: Воениздат, 2001. – 452с.
5. Патент RU 2279183 С2. Способ передачи информации в системе связи с широкополосными сигналами. Опубликован 27.06.2006. Бюл. №18.