СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ КОМАНД РАДИОУПРАВЛЕНИЯ СИГНАЛАМИ С РАСШИРЕННЫМ СПЕКТРОМ
METHOD FOR TRANSMISSION OF RADIO CONTROL COMMANDS WITH SPREAD SPECTRUM SIGNALS

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в системах радиоуправления для повышения их помехоустойчивости.
Основной задачей, которую приходится решать при проектировании таких систем, является сокращение времени передачи команд радиоуправления при одновременном обеспечении высокой достоверности их приема в условиях воздействия как естественных помех, так и помех от средств радиоэлектронного подавления.
Среди известных методов повышения помехоустойчивости систем связи за счет расширения спектра сигналов 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, 4].
Сравнение между собой двух методов расширения спектра сигналов (FH и DS) показывает, что преимущество каждого из них с точки зрения помехоустойчивости зависит от вида помех. Например, метод DS более эффективен при импульсных, узкополосных и ретрансляционных помехах, а метод FH – при заградительных помехах. Очевидно, объединение этих методов позволяет повысить помехоустойчивость в целом.
В отличие от метода FH, скорость передачи информации при использовании метода DS может быть значительно увеличена за счет применения больших ансамблей сигналов [5].
Целью изобретения является повышение помехоустойчивости системы радиоуправления при малом времени доведения команд за счет применения шумоподобных фазоманипулированных сигналов с программно-перестраиваемой несущей частотой.  Достигаемый при использовании изобретения результат – повышение помехоустойчивости системы радиоуправления.
Наиболее близким по количеству совпадающих признаков к заявляемому способу является способ формирования шумоподобных фазоманипулированных сигналов, описанный в [5].
Согласно этому способу в передающем устройстве выполняют следующие операции:
- формируют сигналы несущей и тактовой частот;
- из сигнала тактовой частоты формируют двоичные квазиортогональные ПСП, синхронизирующую и информационную, причем синхронизирующая ПСП является М-последовательностью, а информационная ПСП – также М-последовательность, но укороченная или удлиненная на один элемент;
- периодически (с периодом, равным произведению числа элементов синхронизирующей ПСП, числа элементов информационной ПСП и длительности периода тактовой частоты) осуществляют фазирование синхронизирующей ПСП с информационной ПСП, то есть устанавливают генераторы ПСП в начальные фиксированные состояния;
- на каждом периоде повторения информационной ПСП формируют модулированную ПСП путем циклического сдвига информационной ПСП с неизмененной длиной на количество элементов, определяемое передаваемым информационным символом, и дополнительного сложения по модулю два с еще одним битом информации, полученную последовательность, так же, как и информационную ПСП, укорачивают или удлиняют на один элемент;
- суммируют по модулю два модулированную ПСП и задержанную на целое число периодов тактовой частоты синхронизирующую ПСП, а результат мажоритарно суммируют с синхронизирующей ПСП и информационной ПСП (под мажоритарным сложением логических сигналов понимается операция вычисления мажоритарной функции два из трех);
- полученной двоичной последовательностью манипулируют по фазе сигнал несущей частоты;
- суммируют по модулю два синхронизирующую ПСП и информационную ПСП, а полученной двоичной последовательностью осуществляют дополнительный сдвиг фазы фазоманипулированного сигнала на ноль или девяносто градусов.
Недостатком способа-прототипа является то, что в формируемом сигнале только половина его мощности используется для передачи данных, что снижает помехоустойчивость системы радиосвязи.
Для решения поставленной в изобретении задачи в способе передачи команд радиоуправления сигналами с расширенным спектром, заключающемся в том, что формируют сигналы несущей и тактовой частот, из сигнала тактовой частоты формируют двоичные псевдослучайные последовательности (ПСП) максимальной длины, синхронизирующую и информационную, информационную ПСП удлиняют на один постоянный элемент и на каждом периоде повторения информационной ПСП формируют модулированную ПСП путем циклического сдвига неудлиненной информационной ПСП на количество элементов, определяемое передаваемым информационным символом, и добавлением одного постоянного элемента, согласно изобретению в начале передачи каждой команды радиоуправления фазируют между собой синхронизирующую ПСП и информационную ПСП, а также передают синхросигнал, для формирования которого синхронизирующую ПСП и информационную ПСП преобразуют в биполярные сигналы, которыми осуществляют квадратурную модуляцию сигнала несущей частоты, причем длительность синхросигнала выбирают кратной периоду повторения информационной ПСП, а при передаче команды радиоуправления значение несущей частоты изменяют по псевдослучайному закону через интервалы времени, кратные периоду повторения информационной ПСП, при каждом новом значении несущей частоты сигнал несущей частоты сначала манипулируют по фазе синхронизирующей ПСП на протяжении одного или нескольких периодов повторения информационной ПСП, а в дальнейшем для манипуляции используют последовательность, которую получают сложением по модулю два синхронизирующей ПСП и модулированной ПСП.
Способ передачи команд радиоуправления сигналами с расширенным спектром заключается в последовательном выполнении следующих операций:
- формируют сигналы несущей и тактовой частот;
- из сигнала тактовой частоты формируют двоичные псевдослучайные последовательности (ПСП) максимальной длины, синхронизирующую и информационную, информационную ПСП удлиняют на один постоянный элемент;
- на каждом периоде повторения информационной ПСП формируют модулированную ПСП путем циклического сдвига неудлиненной информационной ПСП на количество элементов, определяемое передаваемым информационным символом, и добавлением одного постоянного элемента.;
- перед передачей каждой команды радиоуправления осуществляют фазирование синхронизирующей ПСП с информационной ПСП, то есть устанавливают генераторы (формирователи) ПСП в начальные фиксированные состояния;
- формируют синхросигнал: для этого синхронизирующую ПСП и информационную ПСП преобразуют в биполярные сигналы, которыми осуществляют квадратурную модуляцию сигнала несущей частоты;
- синхросигнал передают в течение времени, равного целому числу периодов повторения информационной ПСП;
- при передаче команды радиоуправления значение несущей частоты изменяют по псевдослучайному закону через интервалы времени, кратные периоду повторения информационной ПСП, при этом длительность интервалов также может изменяться;
- при каждом новом значении несущей частоты на протяжении одного или нескольких периодов повторения информационной ПСП сигнал несущей частоты манипулируют по фазе синхронизирующей ПСП; необходимость такой операции объясняется тем, что в передающем и приемном устройствах при изменении несущей частоты сигнала возникают переходные процессы, во время которых достоверная передача информации невозможна, кроме того, при длительных сеансах передачи команды радиоуправления возникает необходимость периодически осуществлять автоподстройку тактовой частоты, а для этого необходимо передавать синхронизирующую ПСП;
- при передаче информационных символов команды радиоуправления сигнал несущей частоты манипулируют по фазе последовательностью, являющейся суммой по модулю два синхронизирующей ПСП и модулированной ПСП. Сложение по модулю два модулированной ПСП и синхронизирующей ПСП позволяет получить ансамбль информационных сигналов, слабо коррелированных при временных сдвигах. При отсутствии этой операции, то есть манипуляции сигнала несущей частоты модулированной ПСП, в радиоканалах с многолучевым распространением радиоволн сигналы разных лучей соответствуют различным передаваемым информационным символам. Это приводит к снижению помехоустойчивости приема, так как появляется вероятность выбора информационного символа, соответствующего не основному лучу приема, а одному из дополнительных.
Рассмотрим математическое представление синхросигнала:
где   – амплитуда сигнала;
– несущая частота;
– синхронизирующая ПСП;
– информационная ПСП.
Как видно, синхросигнал представляет собой сумму двух сигналов несущей частоты, сдвинутых между собой по фазе на девяносто градусов, один из которых манипулирован по фазе периодически повторяющейся синхронизирующей ПСП, а второй – периодически повторяющейся информационной ПСП.
В приемном устройстве может быть реализован одновременный поиск синхронизирующей ПСП и информационной ПСП. При этом, если использовать алгоритм обнаружения, основанный на сравнении с порогом суммы квадратов максимальных значений функций взаимной корреляции принимаемого сигнала с синхронизирующей ПСП и информационной ПСП, помехоустойчивость обнаружения будет незначительно ниже помехоустойчивости обнаружения при передаче одной синхронизирующей ПСП.
После обнаружения синхросигнала и автоподстройки тактовой частоты ПСП приемное устройство переходит в режим поиска окончания передачи синхросигнала.
.
Рассмотрим алгоритм этого поиска. В начале передачи синхросигнала синхронизирующая ПСП и информационная ПСП фазируются между собой. Это означает, что генераторы (формирователи) синхронизирующей ПСП и информационной ПСП устанавливаются в определенные начальные состояния. Например, если генераторы выполнены на основе регистров сдвига с сумматорами по модулю два в цепи обратной связи, начальными состояниями являются двоичные коды, записанные в регистрах. Если формирователи выполнены на основе счетчиков и постоянных запоминающих устройств, начальными состояниями являются нулевые состояния счетчиков. Рассмотрим этот метод формирования ПСП. Если количество элементов синхронизирующей ПСП равно N, то счетчик формирователя синхронизирующей ПСП осуществляет счет тактовых импульсов по модулю числа NКоличество элементов информационной ПСП равно N + 1,поэтому счетчик формирователя информационной ПСП осуществляет счет тактовых импульсов по модулю числа N + 1.
.
В начале формирования синхросигнала оба счетчика находятся в нулевом состоянии, то есть на выходах их разрядов присутствуют двоичные коды числа ноль. В дальнейшем каждый раз, когда счетчик формирователя информационной ПСП устанавливается в нулевое состояние (фиг. 1а), число, двоичный код которого устанавливается на выходах разрядов счетчика формирователя синхронизирующей ПСП, увеличивается на единицу (фиг. 1б). Если длительность синхросигнала равна М периодам повторения информационной ПСП, то окончанию синхросигнала соответствует момент времени, когда на выходах разрядов счетчика формирователя информационной ПСП устанавливается код числа ноль, а на выходах разрядов счетчика формирователя синхронизирующей ПСП устанавливается код числа МПо этомупризнаку может быть определен момент окончания синхросигнала в приемном устройстве.
В дальнейшем работа приемного устройства осуществляется в соответствии с программой, команды которой изменяются в моменты времени, соответствующие нулевому состоянию счетчика формирователя информационной ПСП. Эта программа перестраивает синтезатор частоты (гетеродин) в соответствии с законом изменения несущей частоты сигнала в передающем устройстве.
При каждом переходе на новую частоту в течение первого периода повторения информационной ПСП работает только схема автоматической регулировки уровня сигнала и схема защиты от узкополосных помех. Если на последующих нескольких периодах повторения информационной ПСП в соответствии с программой передается сигнал несущей частоты, манипулированный по фазе синхронизирующей ПСП, в приемном устройстве включается автоподстройка тактовой частоты. В остальное время осуществляется некогерентный прием информационных символов.
В этом режиме передаваемый сигнал имеет вид
где    – модулированная ПСП.
Оптимальный некогерентный прием таких сигналов включает в себя предварительное умножение квадратурных огибающих входного сигнала на , то есть на синхронизирующую ПСП, приведенную к биполярному виду. После этого вычисляют корреляцию квадратурных огибающих с каждым из сигналов вида  (i = 1…Q), где  соответствует i-му из Q возможных передаваемых информационных символов, а также сумму их квадратов. Выбирают максимальное из Q значений суммы квадратов и соответствующую ему модулированную ПСП, по которой определяют передаваемый информационный символ.
Отметим, что при больших Q, то есть большом количестве различных передаваемых информационных символов помехоустойчивость некогерентного приема незначительно отличается от помехоустойчивости когерентного приема информации. Учитывая то, что для передачи информации используется полная мощность сигнала, помехоустойчивость приема информации повышается по сравнению с прототипом почти на 3 дБ.
Пример технической реализации устройства формирования передаваемого сигнала приведен на фиг. 2.
Устройство содержит:
1 – формирователь сигналов тактовой частоты (ФТЧ);
2 – делитель частоты на N+1;
3 – параллельный регистр;
4 – счетчик по модулю N;
5 – счетчик по модулю N+1;
6 – сумматор по модулю N;
7, 8, 9 – постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);
10 – сумматор по модулю два;
11 – схема 2ИЛИ;
12 – счетчик команд;
13 – коммутатор;
14 – схема 2И;
15 – ПЗУ программы перестройки несущей частоты (ПЗУ ППНЧ);
16, 17 – преобразователь уровня (ПУ);
18 – синтезатор несущей частоты;
19, 20 – перемножитель;
21 – сумматор.
N+1
N
N+1
Устройство работает следующим образом. Сигнал тактовой частоты, формируемый ФТЧ 1, поступает на тактовые входы делителя частоты на () 2, счетчика по модулю  4 и счетчика по модулю () 5. Внешний сигнал разрешения передачи (РП) поступает на входы обнуления счетчиков 4, 5, вход начальной установки делителя частоты 2 и вход обнуления счетчика команд 12.
τ
При отсутствии сигнала РП счетчики 4, 5, 12 находятся в нулевом состоянии, а делитель частоты 2 – в исходном состоянии. По приходу сигнала РП начинают работать счетчики 4, 5 и делитель частоты 2. Делитель частоты 2 формирует импульсы длительностью, равной одному периоду  тактовой частоты, и с периодом повторения (N+1)τ, равным периоду повторения информационной ПСП. Эти импульсы поступают на тактовые входы параллельного регистра 3 и счетчика команд 12, а также на один из входов схемы 2ИЛИ 11.
Сигналы с выходов разрядов счетчика команд 12 поступают на адресные входы ПЗУ ППНЧ 15, формирующего управляющие сигналы, задающие режимы работы устройства. Выбор такого способа управления объясняется тем, что все изменения в формировании сигнала происходят в моменты времени, кратные периоду повторения информационной ПСП.
Формирование псевдослучайных последовательностей происходит следующим образом. На выходах счетчиков 4 и 5 с частотой тактовых импульсов формируются периодические последовательности многоразрядных двоичных чисел [0, …, N – 1] и [0, …, N] соответственно. Выходные сигналы счетчика 4 поступают на адресные входы ПЗУ 7, в котором записана синхронизирующая ПСП. На выходе ПЗУ 7 формируется периодически повторяющаяся синхронизирующая ПСП.
Аналогично, выходные сигналы счетчика 5 поступают на адресные входы ПЗУ 8, в котором записана информационная ПСП, дополненная одним элементом. На выходе ПЗУ 8 формируется периодически повторяющаяся информационная ПСП, дополненная одним элементом.
0
0
)
Синхросигнал формируется на протяжении первых М периодов информационной ПСП. В это время на выходах счетчика команд 12 формируется  последовательность  многоразрядных  двоичных  чисел [0, …, М – 1]. По этим адресам в ПЗУ ППНЧ 15 записан код несущей частоты, на которой передается синхросигнал. С многоразрядного выхода ПЗУ ППНЧ 15 этот код поступает на вход синтезатора несущей частоты 18. На выходе, соединенном с одним из входов схемы 2И 14, а также на выходе, соединенном с управляющим входом коммутатора 13, ПЗУ ППНЧ 15 формирует сигналы с уровнем логического нуля. При этом на вход преобразователя уровня 16 поступает синхронизирующая ПСП (СП(t)), на вход преобразователя уровня 17 – информационная ПСП (ИП(t)). В преобразователях уровней 16, 17 двоичные последовательности преобразуются  в  биполярные  сигналы вида  и, которые поступают на первые входы перемножителей 19 и 20 соответственно. На вторые входы перемножителей 19, 20 поступают сдвинутые между собой по фазе на девяносто градусов сигналы несущей частоты, формируемые синтезатором несущей частоты 18.
)
На выходе перемножителя 19 сигнал имеет вид , а на выходе перемножителя 20 – , где f – значение несущей частоты. В результате суммирования в сумматоре 21 формируется выходной сигнал вида
0
0
1
2
3
Начиная с М-го состояния счетчика команд 12, осуществляется программная перестройка несущей частоты сигнала. При последовательном прохождении определенных номеров команд М, М, М, М… код несущей частоты на выходах ПЗУ ППНЧ 15, управляющих синтезатором несущей частоты 18, изменяется по псевдослучайному закону. Эти номера могут быть неравномерно распределены по числовой оси, и в этом случае время передачи на каждой частоте также будет изменяться по псевдослучайному закону.
0
Начиная с М-го состояния счетчика команд 12, на выходе ПЗУ ППНЧ 15, соединенном с управляющим входом коммутатора 13, формируется сигнал с уровнем логической единицы. При этом на входы преобразователей уровней 16, 17 подается один и тот же сигнал СМ(t) с выхода сумматора по модулю два 10, а на выходе сумматора 21 формируется сигнал вида
Таким образом, при передаче команды радиоуправления сигнал несущей частоты манипулируется по фазе двоичной последовательностью с выхода сумматора по модулю два 10.
0
1
2
3
i
i
i
i
.
Рассмотрим выходной сигнал ПЗУ ППНЧ 15, поступающий на один из входов схемы 2И 14. При номерах команд М, М, М, М… он имеет уровень логического нуля. Кроме того, для некоторых значений М его уровень может сохранять значение логического нуля при М+1, М+2,…, М+k В этом случае на выходе схемы 2И 14 формируется логический ноль, а на выходе сумматора по модулю два 10 – синхронизирующая ПСП. Таким образом, при каждом значении несущей частоты в течение одного или нескольких периодов информационной ПСП сигнал несущей частоты манипулируется по фазе синхронизирующей ПСП. В остальное время осуществляется передача информационных символов команды управления следующим образом.
На внешнее устройство передачи данных (УПД) поступает сигнал разрешения РД с одного из выходов ПЗУ ППНЧ и тактовые импульсы ТИ с выхода делителя частоты на (N + 1) 2. При наличии сигнала разрешения РД УПД по переднему фронту ТИ выдает двоичный код нового передаваемого информационного символа на вход параллельного регистра 3. Этот код записывается в регистр 3 по заднему фронту ТИ. С выхода регистра 3 двоичный код нового передаваемого информационного символа поступает на один из входов сумматора по модулю N 6, на второй вход которого поступает многоразрядный сигнал с выхода счетчика по модулю (N + 1) 5. На выходе сумматора по модулю N 6 формируется последовательность, являющаяся циклическим сдвигом последовательности [0, …, N – 1]. Величина сдвига равна числу, двоичный код которого записан в регистре 3.
Выходные сигналы сумматора по модулю N 6 поступают на адресные входы ПЗУ 9, в котором записана информационная ПСП. На выходе ПЗУ 9 формируется модулированная ПСП, представляющая собой неудлиненную циклически сдвинутую информационную ПСП. В схеме 2ИЛИ 11 происходит добавление к ней постоянного элемента, равного логической единице, в момент прихода импульса с выхода делителя частоты на (N + 1) 2.
Выходной сигнал схемы 2ИЛИ 11 проходит на один из входов сумматора по модулю два 10, на второй вход которого поступает синхронизирующая ПСП, а на выходе формируется сумма по модулю два синхронизирующей ПСП и модулированной ПСП, которая манипулирует по фазе сигнал несущей частоты.
ИСТОЧНИКИ ИНФОМАЦИИ
1. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. – 1104 с., с. 733-819.
1. Борисов В. И. и др. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью – М.: Радио и связь, 2003. – 641 с.
2. Патент RU 2646 353 С1. Передатчик повышенной структурной и энергетической скрытности. Опубликовано 02.03.2018. Бюл. №7.
3. Патент RU 2127 486 С1. Способ и устройство передачи сообщений широкополосными сигналами. Опубликовано 10.03.1999.
5. Патент RU 2731 681 С1. Способ формирования шумоподобных фазоманипулированных сигналов. Опубликовано 07.09.2020. Бюл. №25.