Способ формирования шумоподобных фазоманипулированных сигналов
METHOD OF FORMING NOISE-LIKE PHASE-SHIFT KEYED SIGNALS

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в системах радиосвязи с шумоподобными сигналами для повышения их помехоустойчивости и разведзащищенности.
Применение шумоподобных сигналов обеспечивает высокую помехоустойчивость систем радиосвязи к воздействию целого ряда помех, создаваемых средствами радиоэлектронного подавления (РЭП). К ним, например, относятся прицельные и заградительные помехи [1, стр.16]. Для нарушения радиосвязи мощность таких помех должна на один-два порядка превышать мощность передаваемого сигнала.
В то же время имитирующие помехи, применяемые средствами РЭП [1, стр.14], могут нарушать радиосвязь при мощности помехового сигнала, соизмеримой с мощностью передаваемого сигнала.
Рассмотрим воздействие имитирующих помех на системы радиосвязи, использующие шумоподобные сигналы. Для синхронизации приемника с передатчиком используются, как правило, непрерывно передаваемые синхронизирующие шумоподобные сигналы [2]. Они представляют собой сигнал несущей частоты, манипулированный по фазе периодической двоичной псевдослучайной последовательностью (СП). Имитирующая помеха содержит такой же синхронизирующий сигнал, но с изменяющейся во времени задержкой относительно передаваемого сигнала. В результате СП помехи и сигнала периодически совпадают. Схема слежения за задержкой СП в приемном устройстве (СС3), называемая так же схемой автоподстройки времени (АПВ) [3, стр. 302] в такие моменты времени может переключиться на слежение за задержкой СП помехи и рассинхронизироваться с передатчиком. Вероятность такого события тем ниже, чем ниже частота совпадений СП помехи и сигнала, которая, в свою очередь, уменьшается при увеличении длительности периода повторения СП.
Отсюда следует очевидный вывод: для повышения помехоустойчивости системы радиосвязи к имитирующим помехам необходимо увеличивать период повторения СП. Но так как СП также используется для обнаружения сигнала [2], увеличение периода повторения, а следовательно, количества элементов СП, неизбежно приводит к увеличению времени поиска сигнала. В свою очередь, время поиска сигнала ограничивается требованием к задержке передачи информации.
Задачей изобретения является снижение вероятности срыва синхронизации при воздействии имитирующих помех без существенного увеличения времени поиска сигнала. Достигаемый при использовании изобретения результат - повышение помехоустойчивости и разведзащищенности системы радиосвязи.
Наиболее близким по количеству совпадающих признаков к заявленному способу является способ формирования шумоподобных фазоманипулированных сигналов, 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 суммируют 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 суммируют с манипулированным первым сигналом несущей частоты.
Недостатком способа-прототипа является то, что формируемые сигналы не обеспечивают высокую помехоустойчивость системы радиосвязи при воздействии имитирующих помех.
Для решения поставленной в изобретении задачи в способе формирования шумоподобных фазоманипулированных сигналов, заключающемся в том, что формируют сигналы несущей и тактовой частот, из сигнала тактовой частоты формируют двоичные квазиортогональные псевдослучайные последовательности (ПСП), сфазированные между собой, синхронизирующую и информационную, формируют модулированную ПСП путем сдвига информационной ПСП на количество элементов, определяемое передаваемым информационным символом, и дополнительного сложения по модулю два с еще одним битом информации, согласно изобретению, из сигнала тактовой частоты формируют дополнительную ПСП, квазиортогональную синхронизирующей ПСП и информационной ПСП, мажоритарно суммируют дополнительную ПСП, синхронизирующую ПСП и модулированную ПСП, а полученной двоичной последовательностью осуществляют фазовую манипуляцию сигнала несущей частоты, при этом число элементов дополнительной ПСП выбирают взаимно простым с числом элементов синхронизирующей ПСП, а число элементов информационной ПСП выбирают равным произведению числа элементов синхронизирующей ПСП и числа элементов дополнительной ПСП, модулированную ПСП формируют на каждом периоде повторения синхронизирующей ПСП, а фазирование дополнительной ПСП, синхронизирующей ПСП и информационной ПСП осуществляют однократно на каждом периоде повторения информационной ПСП.
Способ формирования шумоподобных сигналов заключается в последовательном выполнении следующих операций:
- Формируют сигналы несущей и тактовой частот.
- Из сигнала тактовой частоты формируют синхронизирующую ПСП, дополнительную ПСП и информационную ПСП, причем количество элементов синхронизирующей ПСП и дополнительной ПСП являются взаимно простыми числами, а количество элементов информационной ПСП равно произведению этих чисел.
- Один раз на каждом периоде повторения информационной ПСП осуществляют фазирование всех трех ПСП, то есть устанавливают генераторы ПСП в начальные фиксированные состояния.
- На каждом периоде повторения синхронизирующей ПСП формируют модулированную ПСП, путем сдвига информационной ПСП на количество элементов, определяемое передаваемым информационным символом, и дополнительного сложения по модулю два с еще одним битом информации.
- Осуществляют операцию мажоритарного сложения синхронизирующей ПСП, дополнительной ПСП и модулированной ПСП. Под мажоритарным сложением логических сигналов понимается операция вычисления мажоритарной функции «два из трех».
- Полученной двоичной последовательностью манипулируют по фазе сигнал несущей частоты.
Пример технической реализации устройства формирования сигнала согласно заявляемому способу приведен на фиг.1. Устройство содержит:
1 - формирователь сигналов несущей и тактовой частот (ФНТЧ);
2 - делитель частоты на ;
3 - генератор синхронизирующей ПСП (генератор СП);
4 - сумматор по модулю два;
5 - регистр сдвига;
6 - делитель частоты на ;
7 - мультиплексор;
8 - параллельный регистр;
9 - делитель частоты на ;
10 - генератор дополнительной ПСП (генератор ДП);
11 - сумматор по модулю два;
12 - мажоритарный элемент;
13 - перемножитель.
Устройство работает следующим образом. Сигнал тактовой частоты, формируемый ФНТЧ 1, поступает на тактовые входы делителя частоты на 2, делителя частоты на 9, генератора синхронизирующей ПСП 3, генератора дополнительной ПСП 10 и регистра сдвига 5. Делитель частоты на 2 формирует импульсы длительностью, равной одному периоду  тактовой частоты и с периодом повторения , равным  периодам тактовой частоты (фиг. 2а). Эти импульсы подаются на тактовые входы делителя частоты на  6 и параллельного регистра 8, а также осуществляют фазирование (установку в начальное состояние) генератора СП 3. В результате генератор СП 3 формирует периодически повторяющуюся синхронизирующую ПСП с количеством элементов, равным .
Делитель частоты на 9, где число  взаимно простое с числом , формирует импульсы длительностью  и с периодом повторения  (фиг.2б). Эти импульсы осуществляют фазирование (установку в начальное состояние) генератора ДП 10. В результате генератор ДП 10 формирует периодически повторяющуюся дополнительную ПСП с количеством элементов, равным. Для фазирования дополнительной ПСП с синхронизирующей ПСП выходные импульсы делителя частоты на  2 делятся по частоте в  раз в делителе частоты на 6. Полученные импульсы длительностью  и периодом повторения  (фиг. 2в) устанавливают делитель частоты на 9 в состояние, соответствующее появлению на его выходе импульса. Поскольку в этот же момент времени присутствует импульс на выходе делителя частоты на 2, происходит одновременное фазирование генератора СП 3 и генератора ДП 10. Этот процесс повторяется с периодом .
В качестве информационной ПСП в данном устройстве используется ПСП, полученная в результате сложения в сумматоре по модулю два 4 дополнительной ПСП и задержанной на некоторое количество тактов синхронизирующей ПСП. Так как  и  взаимно простые числа, последовательность, формируемая на выходе сумматора по модулю два 4, является периодической с периодом  и количеством элементов .
Формирование модулированной ПСП осуществляется следующим образом. Информационная ПСП с выхода сумматора по модулю два 4 поступает на вход регистра сдвига 5, на выходах которого формируются ее сдвинутые копии. Передаваемая информация в виде многоразрядных двоичных слов поступает на входы параллельного регистра 8, куда записывается импульсами с выхода делителя частоты на 2. Тем самым осуществляется привязка передачи информационных слов к периодам повторения синхронизирующей ПСП. С выходов параллельного регистра 8 одноразрядный символ информационного слова поступает на вход сумматора по модулю два 11, а многоразрядный символ поступает на управляющие входы мультиплексора 7, который подключает к своему выходу один из выходных сигналов регистра сдвига 5. Выходной сигнал мультиплексора 7 суммируется в сумматоре по модулю два 11 с одноразрядным информационным символом, образуя модулированную ПСП.
На входы мажоритарного элемента 12 поступает: синхронизирующая ПСП с выхода генератора СП 3, дополнительная ПСП с выхода генератора ДП 10 и модулированная ПСП с выхода сумматора по модулю два 11. На выходе мажоритарного элемента 12 формируется сигнал с уровнем логической единицы только при наличии на его входах двух или трех сигналов с уровнем логической единицы. Выходной сигнал мажоритарного элемента 12 в перемножителе 13 умножается на сигнал несущей частоты, поступающий на второй вход перемножителя 13 со второго выхода ФНТЧ 1. В результате перемножения формируется шумоподобный фазоманипулированный сигнал.
Для доказательства достигаемого положительного результата в заявленном способе рассмотрим математическое представление формируемого сигнала
где u - амплитуда сигнала;
ƒ - несущая частота сигнала.
C(t) - синхронизирующая ПСП;
A(t) - дополнительная ПСП;
M(t) - модулированная ПСП;
MS [а,b,с] - мажоритарная сумма трех логических переменных.
Методом перебора значений переменных а, b, с можно доказать тождество
Используя это соотношение, формируемый сигнал можно представить в виде
Из полученного выражения видно, что формируемый сигнал представляет собой сумму трех сигналов несущей частоты, манипулированных по фазе синхронизирующей ПСП, дополнительной ПСП и модулированной ПСП. Кроме того, присутствует четвертый сигнал, представляющий собой сигнал несущей частоты, манипулированный по фазе каждой из этих ПСП. В силу квазиортогональности ПСП все четыре сигнала слабо коррелированы между собой и могут обрабатываться отдельно корреляционными методами.
Таким образом, в приемном устройстве может быть реализован отдельный поиск синхронизирующей ПСП и дополнительной ПСП. После обнаружения этих сигналов автоматически определяется информационная ПСП как сумма по модулю два дополнительной ПСП и задержанной на целое число периодов тактовой частоты синхронизирующей ПСП.
Таким образом, время поиска сигнала увеличивается примерно в два раза, а период повторения информационной ПСП увеличивается в K раз.
Однако, если в способе-прототипе период повторения информационной ПСП увеличить в K раз, время поиска сигнала возрастет значительно больше чем в два раза.
Сравним время поиска сигнала, формируемого заявляемым способом и сигнала в способе-прототипе при одинаковом периоде информационной ПСП по количеству операций, необходимых для вычисления сверток сигналов. Если рассматривать современные методы вычисления сверток сигналов (корреляционных функций), основанные на прямом и обратном быстром преобразовании Фурье, то количество операций умножения, требуемое для реализации алгоритма поиска сигнала, формируемого заявляемым способом, равно
а в способе-прототипе
Если N и K отличаются незначительно, то
Например, при K=1023 количество операций для сигнала, сформированным заявляемым способом, уменьшается более чем в тысячу раз.
Для защиты от имитирующих помех слежение за задержкой принимаемого сигнала в приемнике (автоподстройки времени) [3, стр.302] необходимо осуществлять на основе оценок задержек как принимаемой синхронизирующей ПСП, так и принимаемой дополнительной ПСП относительно ПСП, формируемых в приемнике. При этом из этих двух оценок необходимо выбирать минимальную по абсолютной величине. Если задержка имитирующей помехи такова, что задержка синхронизирующей ПСП совпала с задержкой синхронизирующей ПСП принимаемого сигнала, то после того, как они станут отличаться на некоторую часть длительности элемента ПСП, схема слежения за задержкой автоматически переключится на работу с оценкой задержки дополнительной ПСП принимаемого сигнала, имеющей меньшее значение по абсолютной величине.
Аналогично, если задержка дополнительной ПСП имитирующей помехи совпадает с задержкой дополнительной ПСП принимаемого сигнала, через некоторое время схема слежения за задержкой переключится на работу с оценкой задержки синхронизирующей ПСП принимаемого сигнала.
Только в том случае, когда совпадут задержки сихронизирующих ПСП и дополнительных ПСП имитирующей помехи и принимаемого сигнала, возможно появление ошибок в приеме информации и срыв синхронизации. Это происходит, когда задержка имитирующей помехи относительно принимаемого сигнала составляет целое число периодов информационной ПСП. Вероятность такого события, а следовательно, и вероятность срыва синхронизации, обратно пропорциональна длительности периода повторения информационной ПСП. По сравнению со способом-прототипом, при одинаковой длительности периода повторения синхронизирующей ПСП вероятность срыва синхронизации уменьшается в число раз, равное отношению длительностей периодов повторения информационной ПСП и синхронизирующей ПСП, то есть в  раз. Например, при вероятность уменьшается более чем в тысячу раз.
Прием информации при заявляемом способе формирования сигнала может осуществляться так же, как в способе-прототипе. А именно, путем вычисления значения взаимной корреляции принимаемого сигнала с последовательностями, образованными всеми возможными циклическими сдвигами информационной ПСП, и определения циклического сдвига с максимальным по абсолютной величине значением взаимной корреляции. По значению циклического сдвига определяют передаваемый информационный символ, а по знаку соответствующего значения взаимной корреляции определяют значение еще одного бита информации. Можно показать, что для получения наибольшего отношения сигнал/шум принимаемый сигнал необходимо предварительно обнулить на интервалах времени совпадений значений синхронизирующей ПСП и дополнительной ПСП, то есть умножить на сигнал , так как в эти моменты времени фаза сигнала зависит только от синхронизирующей ПСП. При одинаковой мощности принимаемого сигнала соотношение сигнал/шум для максимального по абсолютной величине значения взаимной корреляции такое же, как в способе-прототипе. Кроме того, применение при формировании сигнала нелинейной мажоритарной функции значительно повышает криптостойкость сигнала, а следовательно - разведзащищенности системы радиосвязи.
ИСТОЧНИКИ ИНФОМАЦИИ
1. Военно-техническая подготовка. Военно-технические основы построения средств и комплексов РЭП: учебник / А.С. Осипов; под науч. ред. Е.Н. Гарина. - Красноярск: Сиб. Федер. ун-т, 2013. - 344с.
2. Патент RU 2115 236 С1. Система связи с широкополосными сигналами. Опубликован 10.07.1998.
3. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985. - 384с.
4. Патент RU 2279 183 С2. Способ передачи информации в системе связи с широкополосными сигналами. Опубликован 27.06.2006. Бюл. №18.