ГЕНЕРАТОР ДИСКРЕТНЫХ ОРТОГОНАЛЬНЫХ МНОГОФАЗОВЫХ СИГНАЛОВ
GENERATOR OF DISCRETE ORTHOGONAL MULTI-PHASE SIGNALS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано при создании генераторного оборудования для систем радиосвязи по каналам с замираниями.
Уровень техники
Известен генератор дискретных ортогональных функций, содержащий задающий генератор, делитель частоты, блок формирований функций Уолша, три группы умножителей, элемент НЕ и коммутатор (см. авторское свидетельство СССР №1546953, кл. G06F 1/02, 1988 г.).
Однако сигналы, формируемые этим генератором, обладают низкой помехоустойчивостью в двухлучевых декаметровых каналах, так как имеют плохие корреляционные свойства - боковые пики функции автокорреляции и взаимокорреляции этих сигналов имеют значения, близкие к 1.
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является генератор дискретных сигналов, содержащий тактовый генератор, блок формирования функций Уолша, триггер, два ключа, сумматор, n-разрядный счетчик, элемент задержки, двухвходовый элемент И-НЕ, два двухвходовых элемента ИЛИ, трехразрядный регистр сдвига, 2 двухвходовых элемента И, 2 накапливающих сумматора, 2 двухвходовых элементов ИЛИ, 2 (m-1)-разрядных регистра сдвига, блок формирования исходных трансортогональных функций, 2 ключа, 2-1 элементов задержки, причем выход тактового генератора подключен к информационным входам первого и второго ключа, выход первого ключа подключен к тактовому входу блока формирования функций Уолша, счетному входу n-разрядного счетчика, входу элемента задержки и второму входу двухвходового элемента И-НЕ, выход второго ключа подключен ко второму входу первого двухвходового элемента ИЛИ, выход переполнения счетчика соединен со входом трехразрядного регистра сдвига, первыми входами первого и второго двухвходовых элементов ИЛИ и входами установки в нулевое состояние накапливающих сумматоров, выход элемента задержки подключен к первому входу двухвходового элемента И-НЕ, выход которого соединен со вторым входом второго двухвходового элемента ИЛИ, выход этого элемента ИЛИ соединен с тактовым входом блока формирования исходных трансортогональных функций, управляющим входом первого ключа блока управляемых ключей и со входами 2-1 линий задержки, выходы линий задержки подключены соответственно к управляющим входам 2-1 ключей блока управляемых ключей, ко входам 2 ключей блока управляемых ключей подключены выходы блока формирования исходных трансортогональных функций, выходы 2 ключей блока управляемых ключей подключены ко вторым входам соответствующих двухвходовых элементов И, к первым входам этих элементов И подключены выходы блока формирований функций Уолша, выходы двухвходовых элементов И подключены ко входам накапливающих сумматоров, выходы которых подключены ко вторым входам соответствующих двухвходовых элементов ИЛИ, выходы двухвходовых элементов ИЛИ подключены к информационным входам соответствующих (m-1)-разрядных регистров сдвига, выходы регистров сдвига подключены к первым входам соответствующих двухвходовых элементов ИЛИ, выход первого двухвходового элемента ИЛИ подключен ко входам управления записью всех (m-1)-разрядных регистров сдвига, выходы которых являются выходами генератора дискретных сигналов (см. патент на изобретение №2200972, кл. G06F 1/02, 2000 г.).
Однако сигналы, формируемые этим генератором, обладают низкой помехоустойчивостью, так как имеют плохие корреляционные свойства - амплитуды боковых пиков функций автокорреляции и взаимокорреляции этих сигналов имеют большие значения. Кроме того, применение этих сигналов в системах передачи информации по каналам с переменными параметрами ограничено, поскольку для приема дискретных сигналов этого класса необходима когерентная обработка.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является разработка генератора дискретных ортогональных многофазовых сигналов, который позволит повысить помехоустойчивость приемного устройства, посредством уменьшения амплитуд боковых пиков корреляционных функций этих сигналов, при этом дискретные ортогональные многофазовые сигналы представляются в виде двухразрядного двоичного кода сдвига фазы.
Технический результат, который может быть получен с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению помехоустойчивости приемного устройства, работающего в двухлучевых каналах связи с переменными параметрами.
Технический результат достигается тем, что в известный генератор дискретных ортогональных функций, содержащий тактовый генератор, блок формирования функций Уолша, триггер, два ключа, двухвходовые элементы ИЛИ, регистры сдвига, причем выход тактового генератора подключен к информационным входам первого и второго ключей, прямой и инверсный выходы триггера подключены к управляющим входам первого и второго ключа соответственно, выход первого двухвходового элемента ИЛИ подключен ко входам управления записью всех регистров сдвига, выходы остальных двухвходовых элементов ИЛИ подключены к информационным входам соответствующих регистров сдвига, выходы регистров сдвига подключены к первым входам соответствующих двухвходовых элементов ИЛИ, выходы регистров сдвига являются выходами генератора дискретных сигналов, введены m-разрядный счетчик, m элементов НЕ, m сумматоров по модулю два, блок формирования углов сдвига фазы, причем выход второго ключа подключен к тактовому входу блока формирования функций Уолша, счетному входу m-разрядного счетчика, второму входу первого двухвходового элемента ИЛИ, выход первого ключа подключен к первому входу первого двухвходового элемента ИЛИ, выход переполнения m-разрядного счетчика подключен ко входу триггера, ко входам каждого из m элементов НЕ подключены соответствующие выходы блока формирования функций Уолша, выходы элементов НЕ подключены к первым входам соответствующих сумматоров по модулю два, первый выход блока формирования углов сдвига фазы подключен ко вторым входам сумматоров по модулю два, выходы сумматоров по модулю два подключены ко вторым входам соответствующих двухвходовых элементов ИЛИ, второй выход блока формирования углов сдвига фазы подключен ко вторым входам соответствующих двухвходовых элементов ИЛИ, выходы m-разрядных регистров сдвига являются выходами устройства.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена функциональная схема заявляемого устройства, на фиг. 2 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы заявляемого устройства при формировании сигнала S(6, t), на фиг. 3 представлены функции корреляции сигналов, формируемых заявляемым устройством.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 приведена функциональная схема заявляемого устройства.
На фигуре представлен тактовый генератор 1, первый ключ 2, первый двухвходовый элемент ИЛИ 3, второй ключ 4, триггер 5, m-разрядный счетчик 6, блок формирования функций Уолша 7, m элементов НЕ 8, m сумматоров по модулю два 9, 2m двухвходовых элементов ИЛИ 10, 2m m-разрядных регистров сдвига 11, блок формирования углов сдвига фазы 12, причем выход тактового генератора 1 подключен к информационным входам первого 2 и второго 3 ключей, прямой и инверсный выходы триггера 5 подключены к управляющим входам первого 2 и второго 3 ключа соответственно, выход второго ключа 4 подключен к тактовому входу блока формирования функций Уолша 7, счетному входу m-разрядного счетчика 6, второму входу первого двухвходового элемента ИЛИ 3, выход первого ключа 2 подключен к первому входу первого двухвходового элемента ИЛИ 3, выход переполнения m-разрядного счетчика 6 подключен ко входу триггера 5, ко входам каждого из m элементов НЕ 8 подключены соответствующие выходы блока формирования функций Уолша 7, выходы элементов НЕ 8 подключены к первым входам соответствующих сумматоров по модулю два 9, первый выход блока формирования углов сдвига фазы 12 подключен ко вторым входам сумматоров по модулю два 9, выходы сумматоров по модулю два 9 подключены ко вторым входам соответствующих двухвходовых элементов ИЛИ 10, второй выход блока формирования углов сдвига фазы 12 подключен ко вторым входам соответствующих двухвходовых элементов ИЛИ 10, выход первого двухвходового элемента ИЛИ 3 подключен ко входам управления записью всех m-разрядных регистров сдвига 11, выходы остальных двухвходовых элементов ИЛИ 10 подключены к информационным входам соответствующих m-разрядных регистров сдвига 11, выходы m-разрядных регистров сдвига 11 подключены к первым входам соответствующих двухвходовых элементов ИЛИ 10, выходы m-разрядных регистров сдвига 11 являются выходами устройства.
На фиг. 2 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип работы заявляемого устройства, иллюстрирующие процесс формирования последовательности S(6, t) для случая m=16. На временных диаграммах показано временное состояние:
а) выхода тактового генератора 1;
б) инверсный выход триггера 5;
в) 6-я последовательность кода Уолша;
г) 1-й вход 6-го сумматора по модулю 2;
д) 2-й вход 6-го сумматора по модулю 2;
е) выход 6-го сумматора по модулю 2;
ж) 2-й выход блока формирования углов сдвига фазы 12;
з), и) фазовая структура формируемого сигнала S(6, t).
Устройство работает следующим образом.
Перед началом работы генератора триггер 5 устанавливается в исходное состояние, а m-разрядный счетчик 6, сумматоры по модулю два 9, разряды регистров сдвига устанавливаются в нулевое состояние.
Период настройки генератора.
Под действием импульсов с выхода тактового генератора 1, поступающих через открытый ключ 4 на счетный вход m-разрядного счетчика 6 и на тактовый вход блока формирования функций Уолша 7, на его выходах формируются дискретные сигналы и поступают на входы соответствующих элементов НЕ 8.
Дискретные сигналы могут быть заданы комплексной огибающей, представляющей собой для функций Уолша совокупность импульсов высокого 1 и низкого 0 уровня. При этом импульсу высокого уровня соответствует фаза 0, а импульсу низкого уровня соответствует фаза π. При этом четыре значения фазы кодируются двоичным кодом, как показано в таблице 1.
Таблица фазовых коэффициентов сигналов Уолша размерности m=16 представлены в таблице 2.
Анализ таблиц 1 и 2 показывает, что значениям фазы сигналов Уолша соответствует двоичный код 00 и 10, а также что младшие разряды двоичного кода равны нулю для всех сигналов. Таким образом, чтобы преобразовать сигналы Уолша в соответствующие им двухразрядные фазовые коэффициенты, их необходимо инвертировать, при этом получается старший разряд двухразрядных фазовых коэффициентов, а младший разряд двухразрядных фазовых коэффициентов всегда равен нулю, не вносит изменений в сумму и может не учитываться.
С выходов элементов НЕ инвертированные импульсы поступают на первые входы соответствующих сумматоров по модулю два 9, на вторые входы соответствующих сумматоров поступает старший разряд угла сдвига фазы с блока формирования углов сдвига фазы 12, сигнал с выхода сумматоров по модулю два 9 и сигнал со второго выхода блока формирования угла сдвига фазы 12 через соответствующие двухвходовые элементы ИЛИ 10 поступают на информационные входы соответствующих m-разрядных регистров сдвига 11 и под действием импульсов, поступающих с выхода первого двухвходового элемента ИЛИ 3 на входы управления записью регистров сдвига И, записываются в соответствующие ячейки регистров. Блок формирования углов сдвига фазы генерирует сигналы в соответствии с таблицей 3.
Запись в регистры будет продолжаться до тех пор, пока на выходе переполнения m-разрядного счетчика 6 не появится импульс, устанавливающий триггер 5 в нулевое состояние. При этом ключ 4 закрывается, а ключ 2 открывается. Импульсы с выхода ключа 4 перестают поступать на тактовый вход блока формирования функций Уолша, и он прекращает формирование сигналов. К этому моменту все разряды m-разрядных регистров сдвига 11 будут заполнены. На этом заканчивается период настройки генератора.
Период генерирования.
Импульсы от тактового генератора 1 через открытый ключ 2 и двухвходовый элемент ИЛИ 3 поступают на входы управления записью поразрядных регистров сдвига 11. В результате информация в их разрядах сдвигается, а импульсы с выхода каждого m-разрядного регистра сдвига 11 через соответствующие двухвходовые элементы ИЛИ 10 поступают на информационные входы m-разрядных регистра сдвига 11. Таким образом, на выходах регистров сдвига 11, периодически повторяясь, формируется фазовая структура ансамбля сигналов.
Фазовые коэффициенты генерируемых сигналов размерности m=16 представлены в таблице 4.
На фиг. 3 приведены значения функций корреляции сигналов, формируемых заявляемым устройством.
АКФ
ВКФ
Эффективным средством борьбы с замираниями, вызванными дискретной многолучевостью, является разнесенный прием с разделением лучей по времени прихода и последующим их сложением, при этом наиболее сложными для существующих систем передачи информации являются двухлучевые каналы связи с задержкой лучей τ. При этом вероятность ошибки для часто применяемой схемы квадратичного суммирования зависит от величины коэффициента неортогональности в усиленном смысле, а также от величины боковых пиков огибающей автокорреляционной функции (ρ) и взаимокорреляционной функции (ρ) (Гайчук Д.В., Гайчук В.Ю. Анализ влияния корреляционных характеристик сигналов на вероятность ошибки для схемы разнесенного приема с разделением лучей по времени прихода // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - №6; URL: http://www.science-education.ru/120-15434).
АКФ
ВКФ
Характеристики ρ, ρ ансамблей сигналов Уолша, D-кодов, сигналов Джеффи, кодов Рида-Мюллера при m=16 могут быть довольно значительными. Таким образом, применение известных m-ичных сложных сигналов с малой базой ограничено особенностями распространения радиоволн в двухлучевых каналах с неопределенной фазой.
Известно, что унитарные операторы сохраняют скалярное произведение векторов, а также сложение векторов и произведение векторов на скаляр. Таким образом, при унитарных преобразованиях норма векторов, расстояния, углы, ортогональность и ортонормированность инвариантны (Корн Г., Корн Т. Справочник по математике / Г. Корн, Т. Корн. - М.: Наука, 1973, - 832 с.).
Пусть матрица, задающая унитарный оператор A преобразования вида x′=Ax, имеет вид:
Очевидно, что унитарное преобразование вида (1) не изменяет пик-фактор огибающей сигналов. Матрица x′ новых сигналов имеет вид:
i
Очевидно, что соотношения для боковых пиков огибающих корреляционных функций для новых сигналов будут включать параметры унитарного оператора в виде угла сдвига фазы α.
I
АКФ
ВКФ
Таким образом, изменяя значение угла сдвига фазы α, можно изменять величины боковых пиков огибающей автокорреляционной функции (ρ) и взаимокорреляционной функции (ρ), не нарушая ортогональность исходного ансамбля сигналов (Гайчук Д.В., Гайчук В.Ю. Матричный метод синтеза систем сигналов с заданными свойствами // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - №6; URL: http://www.science-education.ru/120-15681).
С использованием разработанного алгоритма синтеза и ПЭВМ автором был синтезирован ансамбль дискретных ортогональных многофазовых сигналов, формируемый заявляемым устройством, имеющий лучшие величины боковых пиков огибающей автокорреляционной функции и взаимокорреляционной функции, чем у систем сигналов. Это свидетельствует о том, что они являются более помехоустойчивыми по сравнению с сигналами, формируемыми аналогом и прототипом.
Проведем сравнительную оценку некоторых известных ансамблей сигналов и ансамбля сигналов, формируемого заявленным устройством. Оценку проведем при фиксированной скорости передачи информации по помехоустойчивости в двухлучевом канале.
Характеристики рассматриваемых ансамблей приведены в таблице 5.
Для сравнения ансамблей по помехоустойчивости рассчитаем энергетический проигрыш при переходе от системы с идеальными сигналами к системе с реальными сигналами по формуле
2
-3
ош
Значения отношения сигнал/шум h получены по соотношениям из (Гайчук Д.В., Гайчук В.Ю. Анализ влияния корреляционных характеристик сигналов на вероятность ошибки для схемы разнесенного приема с разделением лучей по времени прихода// Современные проблемы науки и образования. - 2014. - №6; URL: http://www.science-education.ru/120-15434). Тогда при Р=10 энергетический проигрыш при переходе от идеальных сигналов к сигналам Стифлера составляет
С
η=2,3 дБ,
при переходе к сигналам Варакина
B
η=2,2 дБ,
при переходе к сигналам Трофимова-Ласунского
ТЛ
η=2,3 дБ
при переходе к D-кодам
D
η=2,2 дБ.
Формируемый заявляемым устройством ансамбль проигрывает идеальному ансамблю
S
η=0,75 дБ.
Использование изобретения позволяет создавать генераторное оборудование для систем радиосвязи с многолучевым распространением, обеспечивающее формирование сигналов, обладающих повышенной помехоустойчивостью и расширенными возможностями применения.