УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА ДИСКРЕТНЫХ СООБЩЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИГНАЛОВ С ПРЯМЫМ РАСШИРЕНИЕМ И АВТОКОРРЕЛЯЦИОННЫМ СЖАТИЕМ СПЕКТРА
DEVICE FOR TRANSMITTING AND RECEIVING DISCRETE MESSAGES USING SIGNALS WITH DIRECT SPREADING AND AUTOCORRELATION COMPRESSION OF SPECTRUM

Изобретение относится к области радиосвязи, когда передача дискретных сообщений осуществляется с помощью сигналов с прямым расширением спектра путем фазовой модуляции несущей частоты псевдослучайными последовательностями.
Подобные устройства широко известны. В них реализуются взаимокорреляционные и автокорреляционные алгоритмы обработки сигналов. Аналогом предлагаемого устройства является устройство, описанное в [Чердынцев В.А. Статистическая теория совмещенных радиотехнических систем. Минск: Вышэйшая школа, 1980, 206 с.]. Это устройство (фиг.1а) на передающей стороне содержит источник дискретных сообщений 1, выход которого последовательно соединен с первым входом первого перемножителя 2, первым входом второго перемножителя 3 и входом усилителя мощности 4, при этом выход генератора тактовой частоты 5 подключен к входу генератора ПСП (псевдослучайной последовательности) 6, выход которого подключен к второму входу первого перемножителя 2, генератор несущей частоты 7, выход которого подключен ко второму входу второго перемножителя 3.
На приемной стороне устройство (фиг.1б) содержит усилитель 8, выход которого последовательно соединен с первым входом первого перемножителя 9, входом фильтра нижних частот 10, первым входом второго перемножителя 11 и входом блока ФАПЧ (фазовой автоподстройки частоты) 12, выход которого подключен к второму входу первого перемножителя 9, при этом выход фильтра нижних частот 10 подключен также к входу линии задержки 13, выход которой подключен к второму входу второго перемножителя 11, выход которого также подключен к входу полосового фильтра 14, соединенного последовательно с демодулятором 15.
В схеме, изображенной на фиг.1а, сигнал передаваемого сообщения d(t) с источника дискретных сообщений 1 поступает на первый вход первого перемножителя 2, на второй вход которого поступает сигнал с выхода генератора ПСП, на выходе первого перемножителя 2 формируется сигнал ПСП, либо его инверсия в зависимости от значения символа передаваемого дискретного сообщения ("0" или "1"), затем во втором перемножителе 3 осуществляется фазовая модуляция сигнала несущей частоты, поступающей на второй вход второго перемножителя 3 с выхода генератора несущей частоты 7, сигналом, формируемым на выходе первого перемножителя 2, далее сигнал усиливается в усилителе мощности 4.
На приемной стороне (фиг.1б) осуществляется демодуляция переданного сообщения следующим образом. Принятый сигнал с выхода усилителя 8 поступает на первый вход первого перемножителя 9. Этот сигнал может быть представлен
0
псп
где А - амплитуда сигнала, ω - несущая частота, θ - фаза, U(t) - сигнал передаваемого сообщения, U(t) - сигнал псевдослучайной последовательности расширения спектра.
Этот сигнал в первом перемножителе 9 перемножается с опорным, поступающим с выхода блока ФАПЧ, который можно представить как
где  - оценка фазы принимаемого сигнала.
С помощью фильтра нижних частот выделяется разностная составляющая перемножаемых сигналов (1) и (2)
где k=0,5 cos() - постоянная величина.
Во втором перемножителе 11 перемножаются сигнал (3) и его копия, задержанная на время, равное половине длительности символа ПСП. В результате на вход полосового фильтра 14 поступает сигнал вида
Полосовой фильтр 14 выделяет составляющую тактовой частоты спектра произведения сигналов на тактовой частоте, модулированную сигналом передаваемого сообщения, которая поступает в демодулятор 15, в котором осуществляется демодуляция сигнала передаваемого сообщения.
В устройствах такого типа осуществляется корреляционная обработка, поэтому они обладают низкой помехоустойчивостью, так как здесь используется в лучшем случае только половина мощности полезного сигнала и появляются дополнительные составляющие помехи вида "шум × шум", "сигнал × шум ". Кроме этого любая бигармоническая помеха с частотным сдвигом, равным полутактовой частоте, ведет к образованию помехи на тактовой частоте, что также является причиной снижения помехоустойчивости.
Наиболее близким по технической сущности и решаемой задаче является устройство, описанное в [1] Диксон Р.К. Широкополосные системы. / Пер. с англ. под ред. Журавлева В.И. - М.: Связь, 1979 на стр.180. В нем реализован двухканальный принцип с передачей на отдельных несущих информационного и пилот-сигналов.
Это устройство на передающей стороне (фиг.2а) содержит источник дискретных сообщений 1, который последовательно соединен с первым входом первого перемножителя 2, первым входом второго перемножителя 3 и первым входом сумматора 7, второй вход которого подключен к выходу третьего перемножителя 6, при этом первый выход генератора ПСП 4 (псевдослучайной последовательности) подключен к второму входу первого перемножителя 2, а второй выход генератора ПСП 4 подключен к первому входу третьего перемножителя 6, первый выход генератора несущей частоты 5 подключен к второму входу второго перемножителя 3, а второй выход генератора несущей частоты 5 подключен к второму входу третьего перемножителя 6, при этом выход сумматора 7 подключен к входу усилителя мощности 8, выход которого подключен к антенне.
На приемной стороне данное устройство (фиг.2б) содержит усилитель 9, выход которого подключен параллельно к входам первого 10 и второго 11 блоков полосовой фильтации, выходы которых подключены к входам перемножителя 12, выход которого подключен к входу третьего блока полосовой фильтрации 13, выход которого подключен к входу демодулятора 14.
Недостатками устройства-прототипа является низкая эффективность использования спектра, так как информационное сообщение и пилот- сигнал передаются на разных несущих. Кроме этого в данном устройстве (фиг.2) по существу осуществляется свертка спектра информационного сигнала путем его перемножения с пилот-сигналом (СПРС) при отсутствии средств предварительного поиска и точной синхронизации, т.е. в нем реализован один из вариантов автокорреляционной обработки и поэтому он обладает низкой помехоустойчивостью.
1
2
В устройстве-прототипе частоты f и f выбираются так, чтобы спектры информационного и пилот-сигналов практически не перекрывались (фиг.3), а это приводит к снижению эффективности использования выделенного спектра радиочастот. Поскольку, как было указано, в устройстве для передачи информационного и пилот-сигналов используются две различные несущие частоты, то система имеет низкую помехоустойчивость при воздействии помех, частотная расстройка которых оказывается равной разности частот несущих информационного и пилот-сигналов.
Технический результат, достигаемый в заявленном устройстве, заключается в увеличении эффективности использования спектра и увеличении помехоустойчивости при одновременном упрощении приемной части.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройство для передачи и приема дискретных сообщений с использованием сигналов с прямым расширением и автокорреляционным сжатием спектра, содержащее на передающей стороне источник дискретных сообщений, первый перемножитель, генератор псевдослучайной последовательности, выход которого подключен к второму входу первого перемножителя, второй перемножитель, выход которого подключен к первому входу сумматора, третий перемножитель, выход которого подключен к второму входу сумматора, выход которого подключен к входу усилителя мощности, а выход генератора несущей частоты подключен к второму входу второго перемножителя, а на приемной стороне - усилитель, выход которого соединен последовательно с входом первого блока полосовой фильтрации, первым входом перемножителя, входом второго блока полосовой фильтрации и входом демодулятора, дополнительно введены на передающей стороне блок несистематического разделения, вход которого подключен к выходу источника дискретных сообщений, четвертый перемножитель, первый вход которого подключен к второму выходу блока несистематического разделения, первый выход которого подключен к первому входу первого перемножителя, при этом второй вход четвертого перемножителя подключен одновременно к выходу генератора псевдослучайной последовательности и второму входу первого перемножителя, пятый перемножитель, генератор последовательностей Адамара-Уолша, шестой перемножитель, выход которого подключен к первому входу третьего перемножителя, второй вход которого подключен одновременно к выходу генератора несущей частоты и второму входу второго перемножителя, первый вход которого подключен к выходу пятого перемножителя, первый вход которого подключен к выходу первого перемножителя, а выход четвертого перемножителя подключен к первому входу шестого перемножителя, к второму входу которого подключен второй выход генератора последовательностей Адамара-Уолша, первый выход которого подключен к второму входу пятого перемножителя, а на приемной стороне - второй вход перемножителя подключен одновременно к первому входу перемножителя и к выходу первого блока полосовой фильтрации.
Передаваемый сигнал имеет следующий вид:
1
2
где U(t) и U(t) - сигналы информационных подпоследовательностей на выходах блока несистематического разделения;
псп
U(t) - сигнал на выходе генератора псевдослучайной последовательности;
1
2
HW(t) и HW(t) - сигналы на выходах генератора последовательностей Адамара-Уолша.
Сигнал на входе приемника (фиг.4б) может быть представлен следующим образом:
где θ(t) - процесс, описывающий частотно-фазовые возмущения в канале связи,
k - постоянный множитель.
1
При возведении сигнала S(t) в квадрат в перемножителе и выделении составляющей разностной частоты вторым блоком полосовой фильтрации получаем
T/2
Здесь учтено свойство подпоследовательностей, полученных при несистематическом разделении. Общим правилом восстановления исходной последовательности при несистематическом разделении является сложение по mod2 всех подпоследовательностей. Такой вариант объединения обеспечивает инвариантность результата сложения к инвертированию четного числа подпоследовательностей. Учитывается также и свойство последовательностей Адамара-Уолша, заключающееся в том, что при перемножении двух последовательностей Адамара-Уолша получается другая, отличающаяся по форме от первых двух последовательность Адамара-Уолша, а в данном случае являющаяся меандром полутактовой частоты МЕ(t).
Таким образом, благодаря выбору модулирующих сигналов специальной формы, получаемых с помощью устройства несистематического разделения и генератора последовательностей Адамара-Уолша, удается использовать для передачи дискретных сообщений гармоническое колебание одной частоты, а не двух, как в прототипе. Это позволяет увеличить эффективность использования спектра и помехоустойчивость, а также упростить приемную часть устройства, исключив дополнительный канал обработки сигналов.
Графические материалы, используемые в описании:
Фиг.1 представляет структурную схему устройства-аналога.
Фиг.2 представляет структурную схему устройства-прототипа.
Фиг.3 иллюстрирует спектры информационного сообщения и пилот- сигнала.
Фиг.4 представляет структурную схему заявляемого устройства, где а - передающая часть, б - приемная часть.
Фиг.5 представляет схему блока несистематического разделения.
Фиг.6 иллюстрирует диаграммы, поясняющие работу блока несистематического разделения.
Устройство для передачи и приема дискретных сообщений с использованием сигналов с прямым расширением и автокорреляционным сжатием спектра содержит на передающей стороне источник дискретных сообщений 1, выход которого подключен к входу блока несистематического разделения 5, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому входу первого перемножителя 2 и первому входу четвертого перемножителя 9, генератор ПСП 6, выход которого подключен одновременно к второму входу первого перемножителя 2 и второму входу четвертого перемножителя 9, выход которого соединен последовательно с первым входом шестого перемножителя 10, первым входом третьего перемножителя 11 и вторым входом сумматора 12, а выход первого перемножителя 2 соединен последовательно с первым входом пятого перемножителя 3, первым входом второго перемножителя 4 и первым входом сумматора 12, выход которого подключен к входу усилителя мощности 13, при этом первый и второй выходы генератора последовательностей Адамара-Уолша 7 подключены соответственно к второму входу пятого перемножителя 3 и второму входу шестого перемножителя 10, а выход генератора несущей частоты 8 подключен одновременно к второму входу второго перемножителя 4 и второму входу третьего перемножителя 11, на приемной стороне - усилитель 14, соединенный последовательно с входом первого блока полосовой фильтрации 15, первым входом перемножителя 16, входом второго блока полосовой фильтрации 17, входом демодулятора 18, при этом второй вход перемножителя 16 подключен одновременно к его первому входу и выходу первого блока полосовой фильтрации 15.
1
2
Устройство (фиг.4) работает следующим образом. На передающей стороне последовательность символов передаваемого сообщения U(t) с выхода источника дискретных сообщений 1 поступает на вход блока несистематического разделения 5, который формирует на своих выходах такие две подпоследовательности U(t) и U(t), которые при перемножении (при сложении по модулю два) дают исходную последовательность
1
2
U(t)⊕U(t)=U(t).
1
2
С помощью этих подпоследовательностей в перемножителях первом 2 и четвертом 9 осуществляется инверсная модуляция псевдослучайной последовательности, вырабатываемой генератором ПСП 6. Модулированные псевдослучайные последовательности подвергаются дополнительной модуляции в пятом 3 и шестом 10 перемножителях последовательностями HW(t) и HW(t), вырабатываемыми генератором последовательностей Адамара-Уолша 7. На выходах перемножителей пятого 3 и шестого 10 формируются модифицированные псевдослучайные последовательности, которые модулируют по фазе гармонический сигнал несущей, вырабатываемый генератором несущей частоты 8. Эта операция осуществляется во втором 4 и третьем 11 перемножителях. Далее сигналы с выходов соответствующих перемножителей складываются в сумматоре 12 и после усиления в усилителе мощности 13 поступают на вход антенны S(t) (5).
1
На приемной стороне принимаемый сигнал S(t) (6), после усиления в усилителе 14, подвергается полосовой селекции в первом блоке полосовой фильтрации 14, а затем возводится в квадрат в перемножителе 16, и на выходе второго блока полосовой фильтрации 17 выделяется составляющая разностной частоты, которая сохраняет фазовую модуляцию сигналом передаваемого сообщения (7). Далее в демодуляторе осуществляется выделение сигнала передаваемого сообщения.
Блок несистематического разделения символов последовательности передаваемого сообщения, который введен на передающей стороне, работает следующим образом.
Триггер DD2.1 (фиг.5) переключается по фронту, a DD2.2 - по спаду входной последовательности через инвертор DD1.1. Прямой выход триггера DD2.1 соединен с входом второго триггера DD2.2 для исключения зависимости соотношения подпоследовательностей от начальной установки триггеров.
Такое разделение названо несистематическим ввиду отсутствия в выходных подпоследовательностях в явном виде битов входной последовательности.
1
2
На фиг.6 приведены временные диаграммы случайной входной последовательности U(t) и соответствующих ей выходных подпоследовательностей U(t) и U(t) с меньшим значением средней частоты следования символов.
1
2
Подпоследовательности U(t) и U(t) обладают рядом практически важных особенностей:
1
2
1
2
- суммирование U(t) и U(t) по модулю 2 дает исходную последовательность U(t), т.е. U(t) и U(t) представляют собой алгебраически связанные подпоследовательности (АСП);
1
2
- одновременная инверсия U(t) и U(t) на входах сумматора по модулю 2 никак не отражается на выходной последовательности;
1
2
- в подпоследовательностях U(t) и U(t) независимо от структуры U(t) имеет место строго определенная последовательность смены пар символов: 00; 10; 11; 01 в соответствии с кодом Грея.