СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ СООБЩЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H04B7/00 H04B11/00 

Изобретение относится к технике электрической связи, а именно к способам передачи информации в условиях повышенного уровня помех, и может найти применение в системах связи, таких как сверхнизкочастотная радиосвязь, несинхронная передача изображений по акустическому и радиоканалам и др.

Задача передачи информации состоит в передаче некоторого сообщения. Во многих случаях сообщение можно разбить на отдельные элементы. Например, при передаче словесного текста весь текст разбивается на слова, слова на буквы; а при передаче некоторого изображения, меняющегося во времени, оно делится на "кадры", которые, в свою очередь, состоят из отдельных "строк" и "элементов".

Процесс передачи сообщения в общих чертах сводится к следующим этапам ([1] с.9-14):
1) Вырабатывается сигнал s(t), отображающий сообщение. Формирование сигнала может включать операции кодирования и модуляции.

2) Далее сигнал передается по линии связи, в которой действует помеха N(t). Помеха в простейшем случае представляет собой аддитивный стационарный гауссов случайный процесс.

3) Видоизмененный действием помехи сигнал x(t)=V(s,N) на выходе линии (где V символ оператора, описывающего данное искажение, например, при аддитивной помехе V=s(t)+N(t)) поступает на вход приемника, который производит его усиление и обработку с целью восстановления переданного сообщения.

В традиционных способах одноканальной передачи информации обычно используется последовательная во времени передача отдельных элементов сообщений (радиовещание, телевидение, телеграф и т.д.). Недостатком таких способов в сравнении с методами параллельной передачи всех элементов сообщения является то, что помехозащищенность передачи одного элемента ухудшается. Действительно, если сообщение, передается за время T, то время передачи одного из его k элементов составляет τ = T/k. Но это означает, что в k раз уменьшается и время накопления информации об одном элементе сообщения в приемном устройстве по сравнению со случаем одновременной передачи. В условиях наличия случайной помехи это приводит к уменьшению отношения сигнал/шум на выходе приемного устройства.

Известны (в основном из зарубежных патентов, например [2,3]) способы, использующие одновременную передачу информации о всех элементах сообщений в одномерном спектре передаваемых сигналов и не имеющие, следовательно, рассмотренного выше недостатка. В этих способах предусматривается формирование сигналов (их можно назвать спектрально-организованными), содержащих одномерный образ частот спектральных компонент, однозначно соответствующий передаваемому сообщению. Общим недостатком подобных способов является недостаточная помехозащищенность передачи от гауссовых шумов и случайных узкополосных помех.

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемым способу и устройству являются "Метод и система передачи сигнала", описанные в [2] и иллюстрируемые фиг. 1, заимствованной из [2] Согласно [2] система передачи предусматривает передачу сообщения или информационного образа между передающей станцией 10 и принимающей станцией 12 по линии связи 14. Станция 10 включает в себя источник сигнала сообщения 16, генерирующий дискретный сигнал из k элементов, представляющий данное сообщение, который подается по линии 18 на синтезатор передаваемого сигнала конвертер 20. Конвертер 20 это устройство, которое осуществляет преобразование "частота-время", т.е. выполняя функции спектрального синтезатора, генерирует такой сигнал на своем выходе, что сигнал на его входе представляет собой одномерный частотный спектр выходного сигнала. Поэтому сигнал, генерируемый источником 16 (как источником одномерного спектр-образа сообщения), можно назвать сигналом сообщения в частотной области, а сигнал на выходе конвертера 20 сигналом сообщения во временной области. Далее сигнал сообщения во временной области поступает по линии 22 на модулятор, служащий целям согласования передаваемого сигнала с условиями распространения в линии связи 14, в который он поступает по линии 26. Если сигнал на линии 22 не содержит постоянной составляющей, то можно обойтись без модулятора 24 и его двойника на приемной стороне демодулятора 28. Принимающая станция 12 включает в себя демодулятор 28, который принимает по линии 30 передаваемый сигнал, подвергшийся влиянию линии связи 14. Демодулированный сигнал по линии 32 поступает на анализатор принятого сигнала конвертер "время-частота" 34. Конвертер 34, выполняя функции спектрального анализатора, формирует на своем выходе частотный спектр принятого сигнала. Выходной сигнал конвертера 34, являющийся с точностью до искажений, внесенных каналом, сигналом передаваемого сообщения, по линии 36 поступает на устройство вывода сообщения 38.

Достоинством описанного выше способа передачи сообщений, использующего передачу спектрально-организованными сигналами, является его высокая помехоустойчивость к широкополосной помехе, время корреляции τ_o которой много меньше времени передачи сообщения Т. Действительно, если мощность шума порядка мощности сигнала, то в выходном сигнале конвертера 34 шум "расплывается" по всей его длине (по всему частотному диапазону), в то время как сигнальные выбросы локализованы в отдельных отсчетах (на избранных частотах).

К недостаткам указанных способа и устройства относятся следующие.

Во-первых, если шум (который, в силу естественных причин, обычно имеет гауссову статистику) является достаточно мощным, т.е. отношение "сигнал/шум" в полосе анализа меньше единицы, то в этом случае для увеличения отношения "сигнал/шум" и выделения сигнала может потребоваться существенное увеличение разрешающей способности по частоте конвертера 34 приемной станции, а также включение непредусмотренного в схеме на фиг. 1 усреднителя спектра на выходе конвертера 34. Однако даже эти усовершенствования метода часто могут быть бесполезными, так как в силу естественной ширины полос спектральных пиков, генерируемых конвертером 20 в передающей станции, существует предел уменьшения полосы анализа в конвертере 34 на приемной стороне, при котором отношение сигнал/шум в полосе анализа перестает расти.

Во-вторых, часто реальные каналы связи могут характеризоваться наличием случайных узкополосных помех, которые при попадании в область спектра передаваемого сигнала после последующих преобразований в приемном устройстве на выходе конвертера 34 дадут ложные пики, неотличимые от пиков сигнала.

В-третьих, данный способ передачи обладает недостаточной эффективностью использования спектральной полосы канала передачи F_max, так как максимально возможная длина передаваемого сообщения ограничена величиной M=F_max/ Δ(Δ -полоса анализа в конвертере 34).

Цель изобретения повышение помехозащищенности передаваемого сигнала сообщения к аддитивному гауссову шуму и случайным узкополосным помехам, а также достижение более высокой эффективности использования полосы канала передачи при заданном разрешении анализа в частотной области, выполняемого на принимающей стороне.

Цель достигается в способе передачи сообщения, заключающемся в синтезе в частотной области информационной структуры из k элементов, в сумме представляющих образ сообщения, генерации во временной области сигнала, соответствующего синтезированной структуре в частотной области, передаче этого сигнала по линии связи и последующем восстановлении передаваемого сообщения по его образу посредством анализа в частотной области принимаемого сигнала, отличающемся от прототипа тем, что создают n-мерный (n>1) образ сообщения в спектре (n+1)-го порядка, по которому в частотной области синтезируют структуру из k элементов, каждый из которых представляет собой мультиплет, состоящий из (n+1) комплексных составляющих на гармонически связанных частотах и характеризующий соответствующий элемент сообщения комплексным значением спектра (n+1)-го порядка в точке n-мерного пространства, отвечающей набору частот составляющих данного мультиплета, а восстановление образа сообщения осуществляют путем анализа спектра (n+1)-го порядка принимаемого сигнала.

Наличие отличительных от прототипа признаков характеризует предлагаемое решение как соответствующее критерию "новизна".

На фиг. 2 показана функциональная блок-схема системы передачи сообщения полиспектрально-организованными сигналами; на фиг.3 биспектр-образ сообщения, состоящего из одного элемента, и соответствующий ему биспектрально-организованный сигнал в частотной области; на фиг. 4 - функциональная блок-схема системы передачи сообщения биспектрально-организованными сигналами; на фиг. 5 иллюстрации, демонстрирующие работу передающей станции системы передачи, показанной на фиг. 4; на фиг. 6 блок-схема биспектрального синтезатора; на фиг. 7 иллюстрации, демонстрирующие работу принимающей станции системы передачи, приведенной на фиг. 4.

Предлагаемый способ поясняется с помощью функциональной блок-схемы системы передачи сообщения (фиг. 2), включающей передающую станцию, принимающую станцию и линию связи.

Передающая станция 1 включает в себя источник n-мерного полиспектр-образа сообщения 2, который служит для формирования в спектре (n+1)-го порядка S_n+1(f₁, f₂,f_n) (определение (12) см.ниже) n-мерного образа, однозначно представляющего данное сообщение. Для этого в источнике 2 сообщение разбивают на заданное число k элементов, а затем каждому из элементов сопоставляют точку n-мерного пространства частот, в которой устанавливают значение спектра (n+1)-го порядка, характеризующее данный элемент. Так, например, в спектре 3-го порядка (биспектре) странице передаваемого текста после необходимого огрубления можно сопоставить изображение этой страницы в виде рельефа модуля биспектра над биспектральной плоскостью, характеризующего интенсивности элементов изображения, при этом фаза биспектра (бифаза) может характеризовать, например, цвета этих элементов. В спектре 4-го порядка (триспектре) страницы можно расположить в виде срезов в 3-мерном пространстве частот и передать тем самым постраничное изображение книги. В источнике 2 формируют n-мерный полиспектр-образ сообщения в виде задающих сигналов, представляющих собой k значений амплитуд и k значений фаз спектра (n+1)-го порядка в заданных точках n-мерного пространства частот. Этими сигналами управляется синтезатор передаваемого сигнала - полиспектральный синтезатор 3, в котором по созданному полиспектр-образу в синтезаторе 4 формируют комплексную структуру в частотной области. Эта структура представляет собой совокупность k мультиплетов, каждый из которых состоит из (n+1) комплексных составляющих на гармонически-связанных частотах {fi1

,fi2, ... , fin,fin+1} (i=1,k). Напомним, что частоты f₁, f₂, f_n, f_n+1 называются гармонически-связанными, если

Совокупность амплитуд {Ai1, ..., Ain+1} и фаз {φi1, ... , φin+1} (i=1,k), составляющих каждого из упомянутых мультиплетов определяются модулем и фазой полиспектр-образа в заданной точке:

т. е. характеризуют заданный элемент сообщения. Организованную таким образом в частотной области комплексную структуру будем называть полиспектрально-организованным сигналом в частотной области s(f). Структура полиспектрально-организованного сигнала в частотной области поясняется на фиг. 3, где для случая n=2 приведены модуль биспектр-образа (фиг. 3а) простейшего одноэлементного сообщения и модуль биспектрально-организованного сигнала в частотной области (фиг. 3б), соответствующего этому биспектр-образу. Полиспектрально-организованный сигнал в частотной области далее преобразуют посредством полиспектрального конвертера "частота-время" 5 в полиспектрально-организованный сигнал во временной области. Конвертер 5 это устройство, которое выполняет преобразование "частота-время", но в отличие от конвертера 20 на фиг. 1 это преобразование осуществляется так, чтобы обеспечить в выходном сигнале статистическую связанность между спектральными составляющими, задаваемыми компонентами входного полиспектрально-организованного сигнала в частотной области, относящихся к одному и тому же из k его мультиплетов, и статистическую независимость между спектральными составляющими различных мультиплетов. Только в этом случае будет обеспечено соответствие между полиспектрально-организованным сигналом в частотной области и полиспектрально-организованным сигналом во временной области. Сигнал, сгенерированный в блоке 3, по мере необходимости подается на модулятор 6, который включает в себя цепь, приспосабливающую передаваемый сигнал к условиям распространения по линии связи 7, на которую он и поступает с выхода модулятора 6. Модулятор 6 может выполнить амплитудную, фазовую, частотную или иную модуляцию. Также как и в прототипе [2] в ряде случаев модулятор 6 и его двойник на приемной стороне демодулятор 9 могут отсутствовать.

Полученный полиспектрально-организованный сигнал s(t) после возможной модуляции передается по линии связи 7. Видоизмененный действием помехи N(t) сигнал x(t)= V(s, N) поступает на вход приемной станции 8, в которой после возможной демодуляции в демодуляторе 9 производят анализ принимаемого сигнала в полиспектральном анализаторе 10. В анализаторе 10 измерение спектра (n+1)-го порядка сигнала производится с использованием метода, включающего следующие две основные операции [4] оценивание с заданным разрешением по частоте Δ комплексного спектра сигнала и вычисление корреляций (n+1)-го порядка между спектральными компонентами на гармонически-связанных частотах. На фиг. 2 выполнение упомянутых операций в полиспектранализаторе 10 отнесено к двум различным блокам. Поступающий на вход анализатора 10 сигнал сначала поступает на конвертер "время-частота" 11, преобразующий входной сигнал так, что на выходе получаются оценки его комплексного спектра. В качестве конвертера 11 может быть использовано, например, устройство, вычисляющее быстрое прямое преобразование Фурье. Получаемые на выходе конвертера 11 оценки комплексного спектра принятого сигнала в силу достаточно общих причин (таких, например, как влияние шумов канала связи, отсутствие синхронизации между приемной и передающей станциями), являющиеся последовательностью случайных величин, поступают на вход коррелометра (n+1)-го порядка 12. В коррелометре 12 производится их анализ с целью обнаружения и вычисления корреляций (n+1)-го порядка между спектральными составляющими на (n+1)-й гармонически-связанных частотах, т.е. спектра (n+1)-го порядка. После накопления за достаточный промежуток времени на выходе коррелометра 12 и, следовательно, полиспектранализатора 10 в спектре (n+1)-го порядка сформировывается n-мерный образ переданного сообщения, который поступает на устройство вывода сообщения 13, где и восстанавливается исходное сообщение.

Из вышеизложенного подробного описания приведенной на фиг.2 системы передачи можно видеть, что предлагаемый способ передачи сообщений посредством n-мерных образов в спектре (n+1)-го порядка является вполне осуществимым на современном этапе развития науки и техники. При практической реализации предлагаемого метода возникают две задачи: во-первых, задача синтеза сигнала с полиспектром, соответствующим передаваемому сообщению; во-вторых, задача полиспектрального анализа принимаемого сигнала в приемном устройстве и восстановления сообщения в условиях, когда принимаемый сигнал представляет собой смесь переданного сигнала и помехи. Методы решения первой задачи описаны, например, в [6] Решение второй задачи содержится в большом количестве работ (см. [4, 8, 9] и обзор [7]). Совместная постановка и соединение решений указанных задач при организации канала связи ни в прототипе, ни в одном из известных нам аналогов не использовались и не описывались, дают новый технический результат и, следовательно, характеризуют предлагаемое решение как соответствующее критерию "изобретательский уровень".

Практически вышеизложенный способ был реализован в устройстве (фиг.4), осуществляющем передачу сообщения посредством биспектрально-организованного сигнала.

Система передачи фиг.4 предназначена для передачи сообщения, представленного в виде двухмерного массива данных (например, двухмерного изображения), и включает в себя:
передающую станцию 1, содержащую источник 2-мерного биспектр-образа сообщения 2, биспектральный синтезатор 3, включающий последовательно соединенные синтезатор биспектрально-организованного сигнала в частотной области 4 и биспектральный конвертер "частота-время" 5, и модулятор 6;
линию связи 7;
принимающую станцию 8, состоящую из демодулятора 9, биспектрального анализатора 10, включающего последовательно соединенные конвертер "время-частота" 11 и коррелометр 3-го порядка 12, и устройства вывода 2-мерного сообщения 13.

Порядок функционирования предлагаемого устройства рассмотрим на примере, когда с его помощью осуществляется передача двухмерного, в общем случае, цветного изображения.

Источник биспектр-образа 2 станции 1 формирует на своем выходе сигналы 2-мерного биспектр-образа, однозначно соответствующего передаваемому 2-мерному изображению. Для этого в источнике 2 данное изображение представляют в виде 2-мерного векторного массива J[i,j] состоящего из k элементов изображения (пикселов), каждый из которых характеризуется интенсивностью I_ij и номером цвета C_ij из заданной палитры L цветов. В качестве источника 2 как устройства ввода изображения могут быть использованы, например, сканер, телевизионная камера или датчик изображения на приборах с зарядовой связью ([5] с. 148-150), которые кроме функций простого сенсора (датчика) выполняют также функции первичной обработки и преобразования изображения. Одним из таких преобразований является выдача данных цветного изображения с разбиением (классификацией) его на заранее определенные L цветов ([5] с. 150). Изображение J[i,j] рассматривается далее однозначно соответствующим биспектр-образу S₃(f₁, f₂). Для этого элементу изображения J[i.j] сопоставляют точку (iΔ,jΔ) биспектральной плоскости (f₁, f₂) ( Δ шаг по частоте), а модуль и фазу биспектра S₃ (iΔ,jΔ) B[i,j] в этой точке считают пропорциональными

интенсивности и

номеру цвета соответствующего элемента изображения. В силу того что биспектр однозначно определяется в треугольной области частот f₂≅f₁≅F_max (F_max= MΔ) значения индексов элементов изображения J[i,j] определяющего биспектр-образ B[i,j] ограничены условиями

где [. операция отбрасывания дробной части числа. Максимальное число передаваемых элементов изображения при заданном M есть

Массив данных изображения J[i, j] сформированный в источнике 2 и связанный со своим биспектр-образом B[i,j] соотношениями пропорциональности (4, 5), в виде совокупности 2k сигналов поступает на биспектральный синтезатор 3. Для приведенного на фиг.5а исходного изображения выходные сигналы источника 2 определяют биспектр-образ, представленный на фиг. 5б (наличие на фиг. 5б зеркально отраженного биспектр-образа B[i,j] при j≥i обусловлено свойством симметрии биспектра S₃(f₁,f₂)=S₃(f₂,f₁)).

Синтезатор 3 формирует на своем выходе сигнал, биспектр которого состоит из k узких пиков в окрестностях точек (iΔ,jΔ) биспектральной плоскости, а величины амплитуд и фаз биспектра в этих пиках определяются соответствующими сигналами биспектр-образа B[i, j] ≃ J[i,j] При этом в соответствии с общим принципом синтеза полиспектрально-организованных сигналов (описанным выше) функционально синтезатор 3 разбивается на две части: синтезатор биспектрально-организованного сигнала в частотной области 4, формирующий комплексную структуру сигнала в частотной области, и биспектральный конвертер "частота-время" 5, генерирующий собственно биспектрально-организованный сигнал. Комплексная структура в частотной области представляет собой совокупность k триплетов, состоящих из трех комплексных составляющих на гармонически-связанных частотах f_i=iΔ, f_j=jD, f_ij=(i+j)D. Амплитуды и фазы составляющих каждого триплета определяются амплитудой и фазой биспектр-образа B[i, j] (интенсивностью и цветом передаваемого изображения J[i,j]):

Биспектрально-организованный сигнал в частотной области, представляющий собой в общем случае совокупность 2(M-1+[M/2]+M²/4]) сигналов данных об амплитудах и фазах спектральных составляющих генерируемого сигнала, поступает на биспектральный конвертер "частота-время" 5, который генерирует требуемый биспектрально-организованный сигнал так, чтобы обеспечить в выходном сигнале статистическую связанность между спектральными составляющими, задаваемыми компонентами входного биспектрально-организованного сигнала в частотной области, относящихся к одному и тому же из k его триплетов, и статистическую независимость между спектральными составляющими различных триплетов. Способ практической реализации биспектрального синтезатора 3 описан в [6] Блок-схема синтезатора сигнала, содержащего необходимый биспектр-образ S₃ (iΔ,jΔ) при 1≅j≅[M/2] j≅i≅M-j, приведена на фиг. 6 и включает блок управления (БУ), выполняющий функции синтезатора биспектрально-организованного сигнала в частотной области 4 на фиг. 5, и собственно схему синтеза, осуществляющую функции биспектрального конвертера 5. В блоке управления массив сигналов изображения J[i,j] посредством линейных операций пропорционального изменения величины этих сигналов: A_ij≃I_ij,φ_ij≃ -C_ij, преобразуется в сигналы составляющих биспектрально-организованного сигнала в частотной области А_ij и φ_ij. Эти сигналы для приведенной на фиг. 6 схемы синтеза полностью задают структуру биспектра генерируемого сигнала. Схема синтеза включает генератор белого гауссова шума (ГШ), который возбуждает параллельно (M-1) узкополосных фильтров (H₁(f)) с центральными частотами lΔ (1≅l≅M-1) и частотными характеристиками H_l(f). Выходные сигналы этих фильтров используются в [M²/4] блоках (R_ij), которые состоят из перемножителей , осуществляющих попарное перемножение выходных сигналов фильтров H_i(f) и H_j(f) (1≅j≅[M/2] j≅i≅M-j), и последовательно соединенных с ними узкополосных фильтров (H_ij(f)) с центральными частотами (i+j) Δ и частотными характеристиками H_ij(f). Узкополосные фильтры H_l(f) выполняются с фиксированными амплитудными и фазовыми характеристиками, что эквивалентно фиксации амплитуд A_i, A_j и фаз составляющих каждого триплета биспектрально-организованного сигнала в частотной области. А амплитудные и фазовые характеристики фильтров H_ij(f) управляются сигналами A_ij и φ_ij поступающими с блока управления (что легко достигается включением в состав этих фильтров управляемых напряжением широкополосных усилителей и перестраиваемых фазовращателей). Требуемый биспектрально-организованный сигнал формируется на выходе сумматора (Σ), в котором производится суммирование сигналов со всех упомянутых фильтров H_l(f) и H_ij(f). Как показано в [6] биспектр сигнала на выходе данного синтезатора:

в окрестности точки биспектральной плоскости полностью определяется частотными характеристиками соответствующих фильтров H_i(f), H_j(f) и H_ij(f). Участок реализации биспектрально-организованного сигнала, сгенерированного в синтезаторе 3 под управлением сигналов биспектр-образа (фиг. 5б), представлен на фиг. 5в.

Биспектрально-организованный сигнал с выхода генератора 3 подается на модулятор 6, который согласует передаваемый сигнал с условиями распространения по линии связи 7, на которую он и поступает с выхода модулятора 6. Модулятор 6 может выполнить амплитудную, фазовую или частотную модуляцию.

После распространения по линии связи 7, приема сигнала в приемной станции 8 и соответствующей демодуляции в демодуляторе 9 сигнал поступает для анализа на вход биспектранализатора 10. Анализатор 10 выполняет биспектральный анализ принимаемого сигнала и на своем выходе выдает совокупность отсчетов оценки его биспектра , где Δ разрешение по частоте биспектранализатора, равное шагу по частоте исходного биспектр-образа B[i,j] Анализатор 10 реализуется в цифровом виде и функционально разбивается на два последовательно соединенные блока: конвертер "время-частота" 11 и коррелометр третьего порядка 12, которые выполняют над входным сигналом преобразования, обратные действиям, осуществляемым соответствующими блоками синтезатора 3 на передающей стороне при формировании передаваемого сигнала. Сигнал, поступающий на конвертер 11, преобразуется сначала посредством аналого-цифрового преобразователя как неотъемлемой части блока 11 в цифровой сигнал, который далее подвергается посредством устройства быстрого преобразования Фурье преобразованию в частотную область. Получаемые на выходе конвертера 11 оценки комплексного спектра принимаемого сигнала, которые (с точностью до внесенных шумами линии связи искажений) являются оценками исходного биспектрально-организованного сигнала в частотной области, поступают на вход цифрового коррелометра 3-го порядка 12. Коррелометр 12 осуществляет вычисление корреляций между спектральными составляющими на гармонически-связанных частотах iD, jD, (i+j)D и в результате усреднения по достаточному количеству оценок комплексного спектра принимаемого сигнала выдает требуемую совокупность отсчетов . Аналого-цифровой преобразователь и устройство быстрого преобразования Фурье, входящие в состав конвертора 11, являются широко известными техническими устройствами, а алгоритмы для программной реализации цифрового коррелометра 12 можно найти, например, в [7] Результат обработки в цифровом биспектранализаторе сигнала на фиг. 7а, представляющего собой аддитивную смесь переданного биспектрально-организованного сигнала (фиг. 5в) и шумов, внесенных при его распространении по линии связи, представлен на фиг. 7б.

Полученный в результате анализа в 10 биспектр-образ принимаемого сигнала поступает на устройство вывода 2-мерного сообщения 13. В 13 производится обратное сопоставление амплитуд и фаз (arg биспектр-образа, соответственно, интенсивностям и цветам элементов принимаемого изображения. При этом с целью распознавания и идентификации полученного изображения могут быть применены известные методы обработки изображений ([5]), с. 125-147). Результат поступает на входящее в состав блока 13 устройство индикации переданного изображения, в качестве которого может быть использован, например, дисплей компьютера. Изображение графического символа "А", переданное с использованием предлагаемой системы передачи и восстановленное посредством сечения на заданном уровне биспектрального рельефа (фиг. 7б), приведено на фиг. 7в.

Высокая помехозащищенность предлагаемого способа передачи информации вытекает из общих свойств полиспектров как характеристик случайных процессов более высоких порядков (по сравнению со спектром мощности S₂(f), широко применяемым на практике для синтеза оптимальных систем передачи и оценок их помехоустойчивости).

Как известно, одним из эквивалентных определений спектральной плотности мощности и спектра (n+1)-го порядка некоторого стационарного случайного процесса x(t) являются соответственно

а угловые скобки с запятыми <.> обозначают кумулянтные средние в отличие от моментных <.>.

Из (11, 12) легко видеть, что если спектр мощности выражает среднюю мощность спектральной составляющей на заданной частоте, то спектр (n+1)-го порядка описывает взаимозависимость (n+1) спектральных составляющих процесса на гармонически-связанных частотах.

Простейшим примером случайного процесса, имеющего отличный от нуля спектр (n+1)-го порядка, является случайный процесс, состоящий из (n+1) колебаний на гармонически-связанных частотах

где
и независимые равномерно распределенные в интервале [0,2π] случайные фазы Φ₁,...Φ_n+1 связаны фазовой связью n-го порядка

Ψ детерминированная константа. Нетрудно найти, что спектр мощности данного процесса состоит из (n+1) пиков, расположенных на частотах F₁, F_n, F_n+1:

а спектр (n+1)-го порядка представляет собой пик, помещенный в точку (F₁, F₂, F_n) n-мерного пространства частот

причем фаза полиспектра в этой точке есть
argS_n+1(f₁,...,f_n) = Ψ. (17)
Важно отметить, что, если фазовая связь n-го порядка (14) не имеет места, то, даже при наличии между какими-то из фаз связей более низких порядков, спектр (n+1)-го порядка мультиплета вида (13) равен нулю.

Из этого факта вытекает высокая помехоустойчивость предлагаемого способа передачи к действию узкополосных помех канала. Действительно, если в полосе передаваемого сигнала имеется множество узкополосных помех, не связанных фазовой связью n-го порядка, то в системе связи, действующей по способу прототипа [2] это приведет к ошибке в передаче сообщения. В то же время при передаче посредством сигнала, организованного по спектру (n+1)-го порядка, такие несвязанные узкополосные помехи не внесут искажений в передаваемый полиспектр-образ.

Другой замечательной особенностью полиспектров, с позиции передачи информации, является то, что спектры (n+1)-го порядка гауссовых случайных процессов при n>1 равны нулю, а так как помеха N(t) в канале передачи, в силу общих физических причин, обычно является гауссовым случайным процессом, независимым от сигнала s(t), то полиспектр сигнала x(t)=s(t)+N(t) есть

в то время, как для спектра мощности имеем
Sx2

(f) = Ss2(f)+SN2(f). (19)
Таким образом спектр (n+1)-го порядка (n>1) передаваемого сигнала может быть носителем информации, инвариантным к действию аддитивных гауссовых помех, чего нельзя сказать в силу (19) о спектре мощности.

Как известно из теории полиспектрального оценивания [7-9] дисперсия оценки, а значит, и отношение шум/сигнал на выходе любого полиспектранализатора падает пропорционально времени накопления Т. Это означает, что при заданной мощности передаваемого полиспектрально-организованного сигнала и сколь-угодно мощной аддитивной гауссовой помехе всегда существует такое время передачи и накопления информации в приемном устройстве, при котором влияние помехи на принятое сообщение становится пренебрежимо слабым и тем самым обеспечивается сколь-угодно малая вероятность ошибки.

В силу несинхронного характера предлагаемого способа передачи выбор времени передачи и накопления информации на приемной стороне не ограничен практически никакими аппаратными соображениями. Действительно, изменение длительности передачи не требует ни изменения характера передаваемого сигнала, ни перенастройки анализирующей аппаратуры в приемном устройстве (как, например, при использовании методов корреляционного приема и согласованной фильтрации). Поэтому требуемое время передачи может устанавливаться непосредственно в ходе сеанса связи, основным критерием успешного окончания которого является получение на принимающей стороне устойчивого и понятного полиспектр-образа.

Достижение предлагаемым способом более высокой эффективности использования полосы канала передачи сигнала по сравнению с описанным в прототипе [2] способом передачи посредством спектрально-организованных сигналов достаточно очевидно. В самом деле, если сигнал передается в полосе от нуля до некоторой F_max, то при заданной полосе анализа в приемном устройстве Δ F_max/M, посредством спектрально-организованного сигнала можно передать сообщение длиной, не превышающей k₁= M элементов. В то же время в спектре (n+1)-го порядка, т.е. переходя от одномерного пространства частот к n-мерному, в заданной полосе можно передать образ, число элементов которого k_n ≃ Mⁿ. Более точно максимальное число элементов образа в спектре (n+1)-го порядка k_n можно оценить, найдя с учетом известных свойств симметрии полиспектров [4, 10] объем области n-мерного пространства V_n, где спектр (n+1)-го порядка определяется полностью (так называемой, области симметрии), ограниченной из-за условий конечности полосы

Так, например, при n= 2, 3 для максимальной площади биспектр-образа и максимального объема триспектр-образа имеем [4] соответственно, V₂= F2max

/4, V₃= F3max/9,, откуда k₂ ≃ M²/4, k₃ ; M³/9.

Как ясно из приведенного выше описания, характерными чертами предлагаемого способа передачи сообщений являются высокая помехоустойчивость к аддитивным как широкополосным, так и узкополосным помехам, повышенная эффективность использования полосы канала передачи, а также возможность несинхронной передачи многомерных информационных массивов. Эти черты способа обуславливают области возможных применений данного изобретения, среди которых можно выделить несинхронную передачу многомерных информационных массивов по акустическим и радио- каналам в сверхнизкочастотном диапазоне. Последнее определяется тем, что именно в сверхнизкочастотном (СНЧ) диапазоне требования к полосе канала являются особенно жесткими и, следовательно, необходимо повышение эффективности ее использования, а с точки зрения помех СНЧ каналы обычно характеризуются повышенным уровнем как широкополосных (естественных), так и узкополосных (технических) шумов.

Источники информации
1. Радиотехнические системы передачи информации. Учеб. пособие для вузов. /Под ред. В.В. Калмыкова. М. Радио и связь, 1990.

2. США (US). Патент N 3581279, кл. H 04 B 15/00, G 08 C 25/00, опубл. 25.05.71.

3. Великобритания (GB). Патент N 2245731, кл. H 04 B 11/00, опубл. 01.08.91
4. Brillinger D.R. Rosenblatt M. Computation and interpretation of k-th order spectra//in Spectral Analysis of Time Series, B. Harris, Ed. New York, NY: Wiley, 1967, p. 189-232.

5. Компьютеры на СБИС: в 2-х кн. Кн.2; Пер. с япон./Мотоока Т. Хорикоса Х. Сакаута М. и др. М. Мир, 1988.

6. Sasaki K. Sato T. A bispectral synthesizer// J. Acoust. Soc. Am. 1979, 65(3). p. 732-739.

7. Никиас Х. А. Рагувер М.Р. Биспектральное оценивание применительно к цифровой обработке сигналов. ТИИЭР, 1987, т. 75, N 7 с. 5-30.

8. Brilliner D.R. Rosenblatt M. Asymptotic theory of astimates of k-th order spectra//in Sprctral Analysis of Time Series, B. Harris, Ed. New York, NY: Wiley, 1967, p. 153-188.

9. Журбенко И.Г. Анализ стационарных и однородных случайных систем. М. Изд-во Моск. ун-та, 1987, с. 215-228.

10. Алексеев В.Г. О свойствах симметрии старших спектральных плотностей стационарных и периодически нестационарных случайных процессов. -Пробл. передачи информации. 1987, вып. 23, N 3.

Изобретение относится к способам передачи информации в условиях повышенного уровня как широкополосных естественных, так и узкополосных технических помех. Предлагается способ передачи сообщения, заключающийся в синтезе на передающей стороне сигнала, содержащего n-мерный образ сообщения в своем спектре (n+1)-го порядка, передаче этого полиспектрально-организованного сигнала по линии связи и восстановлении сообщения на принимающей стороне посредством полиспектрального анализа принимаемого сигнала. Для осуществления способа при n=2 предлагается система передачи, содержащая передающую станцию, состоящую из источника 2-мерного биспектр-образа сообщения, биспектрального синтезатора, включающего синтезатор биспектрально-организованного сигнала в частотной области и биспектральный конвертер "частота-время", и модулятора, линию связи и принимающую станцию, состоящую из демодулятора, биспектраналазитора, включающего конвертер "время-частота" и коррелометр 3-го порядка, и устройства вывода 2-мерного сообщения. 2 с.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ передачи сообщения, заключающийся в том, что на передающей стороне формируют первичный сигнал сообщения в виде информационной структуры из K элементов, отражающей сообщение в целом в частотной области передаваемого сигнала, который в соответствии со сформированной его структурой в частотной области генерируют и передают по линии связи, а на принимающей стороне сообщение восстанавливают посредством анализа в частотной области принимаемого сигнала, отличающийся тем, что формирование первичного сигнала сообщения в целом осуществляют в виде n мерного (n > 1) образа из K элементов, представляющих собой отсчеты спектра (n + 1)-го порядка передаваемого сигнала, генерирование которого осуществляют в виде суммы из K сигналов, каждый из которых представляет собой совокупность из n + 1 гармонических составляющих и характеризуется в отвечающей набору его частот точке n мерного полиспектрального пространства значением спектра (n + 1)-го порядка, идентичным соответствующему элементу n-мерного образа, а восстановление сообщения осуществляют путем анализа спектра (n + 1)-го порядка принимаемого сигнала. 2. Устройство для осуществления способа передачи сообщения по п.1 при n 2, состоящее из передающей станции, содержащей последовательно соединенные источник сообщения, синтезатор передаваемого сигнала, включающий преобразователь частота время, и модулятор, линии связи и приемной станции, содержащей последовательно соединенные демодулятор, анализатор принимаемого сигнала, включающий преобразователь время частота, и блок вывода сообщения, отличающееся тем, что источник сообщения выполнен в виде источника двумерного биспектр-образа сообщения, синтезатор выполнен в виде биспектрального синтезатора, состоящего из последовательно соединенных синтезатора биспектрально-организованного сигнала в частотной области и биспектрального преобразователя частота время, а анализатор выполнен в виде биспектр-анализатора, включающего последовательно соединенные преобразователь время частота и коррелометр 3-го порядка.