СИСТЕМА СВЯЗИ Российский патент 2001 года по МПК H04B7/00 

Изобретение относится к системам связи, в частности, может быть использовано для передачи и приема дискретной информации широкополосными системами с последовательными многочастотными сигналами.

Известны системы связи с последовательными многочастотными (ПМЧ) сигналами, называемыми также дискретными частотно-модулированными (манипулированными) сигналами (см., например, Окунев Ю.Б., Яковлев Л.А. Широкополосные системы связи с составными сигналами. - М.: Связь, 1968, с. 13, рис. 1.6; Тузов Г.И. Статистическая теория приема сложных сигналов. - М.: Сов. радио, 1977, с. 66. рис. 2.8; Чердынцев В.А. Проектирование радиотехнических систем со сложными сигналами. - Минск: Высшая школа, 1979, с. 18, рис. 22; Тузов Г.И. и др. Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985, с. 34, рис. 2.6; Журавлев В.И. Поиск и синхронизация в широкополосных системах. - М.: Радио и связь, 1986, с. 6, рис. 1.3).

Из известных систем связи наиболее близкой по совокупности осуществленных признаков и достигаемому при ее использовании эффекту является система, описанная в кн. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М. : Радио и связь, 1985, с. 19, рис. 1.11. Эта система связи (прототип) содержит на передающей стороне датчик опорных частот (ОЧ), последовательно соединенные датчик информации, модулятор, генератор последовательных многочастотных (ПМЧ) сигналов и выходной блок, а также последовательно соединенные генератор тактовых импульсов (ТИ), генератор псевдослучайных перестановок (ПСПЕР) и коммутатор, информационные входы которого соединены с выходами датчика ОЧ, а выход подключен к информационному входу модулятора, при этом второй выход генератора ТИ соединен с входом датчика ОЧ и вторыми входами генератора ПСПЕР и генератора ПМЧ сигналов, а третий выход подключен к входу датчика информации, а на приемной стороне датчик ОЧ, последовательно соединенные генератор ТИ, генератор ПСПЕР, коммутатор, информационные входы которого соединены с выходами датчика ОЧ, и частотный модулятор, а также последовательно соединенные входной блок, блок перестраиваемых фильтров и решающий блок, при этом второй выход генератора ТИ соединен со вторым входом генератора ПСПЕР и входом датчика ОЧ, а третий выход подключен к дополнительному входу решающего блока и вторым входам перестраиваемых фильтров, третьи входы которых соединены с выходами частотного модулятора.

Структурная схема прототипа представлена на фиг. 1 и 2, где:
1 - датчик информации,
2 - генератор ПМЧ сигналов,
3 - выходной блок,
4, 11 - генератор ТИ,
5, 12 - генератор ПСПЕР,
6, 15 - коммутаторы,
7, 13 - датчики ОЧ,
8 - входной блок,
9-1,..., 9-P - перестраиваемые фильтры,
10 - решающий блок,
14 - модулятор,
16 - частотный модулятор.

Прием и передача в системе связи прототипа производится следующим образом.

На передающей стороне (фиг. 1) генератором 5 псевдослучайных перестановок (ПСПЕР), идентичным генератору 12 на приемной стороне, за длительность Т последовательного многочастотного (ПМЧ) сигнала вырабатывается H различных K-разрядных (2^К = M, H ≅ M) чисел (псевдослучайная перестановка из H чисел), которые последовательно во времени с тактом τ(τ = T/H) по К адресным цепям поступают на вход коммутатора 6, на информационные входы которого от датчика 7 подается сетка из M опорных частот, получаемых, например, путем деления одной опорой частоты F_оп. Коммутатор 6 в зависимости от того, какой код (текущее значение псевдослучайной перестановки) поступил на его адресные входы, разрешает прохождение сигнала на вход модулятора 14 от одного из M информационных выходов датчика 7 опорных частот. В информационном модуляторе 14 входной сигнал манипулируется поступающими по D (D ≅ K) цепям от датчика 1 информации символами дискретного сообщения, скажем символами 0 или 1, если информационная последовательность от датчика 1 является двоичной, или символами 0, 1, ..., P-1, если информационная последовательность P-ичная (P = 2^D, P ≥ M). В первом случае, при информационном символе 0 кодовая последовательность, определяющая порядок смены частот ПМЧ сигнала, проходит модулятор 14 без изменений, при информационном символе 1 - инвертируется, т.е. в модуляторе 14 информационная последовательность суммируется по модулю 2 с кодовой последовательностью с выхода коммутатора 6. Во втором случае (при P-ичной информационной последовательности) в модуляторе 14 производится суммирование по модулю P последовательностей, поступающих на его входы. Таким образом, если a1, a2, ..., aH - псевдослучайная перестановка, вырабатываемая генератором 5 за время Т (длительность ПМЧ сигнала), то в модуляторе 14 осуществляются операции: для передачи символа 0 - a1⊕0,...,aH⊕0, символа 1 - a1⊕1,...,aH⊕1 и т.д.,
где ⊕ - суммирование по модулю Р.

Промодулированная в модуляторе 14 кодовая последовательность, определяющая порядок переключения частот в ПМЧ сигнале, поступает на вход генератора 2, вырабатывающего элементарное колебание ПМЧ сигнала, которое усиливается по мощности и излучается антенной в выходном блоке 3.

На приемной стороне сигнал, принятый антенной, усиливается, подвергается предварительной фильтрации во входном блоке 8 и поступает на входы перестраиваемых фильтров 9-1, ..., 9-P (P = 2^D) ПМЧ сигналов, на другие входы которых с частотного модулятора 16 поступают сдвинутые на дискретное число позиций сигналы датчика 13 опорных частот, переключаемые коммутатором 15 по сигналам от генератора 12 ПСПЕР, синхронизированного с генератором 5 ПСПЕР на передающей стороне. На перестраиваемый фильтр 9-1 сигнал с выхода коммутатора 15 подается, например, с нулевым сдвигом, на фильтр 9-2 - со сдвигом на одну позицию, на фильтр 9-3 - на 2 позиции и т.д. Перестраиваемые фильтры по сигналу от генератора 12 ПСПЕР настраиваются последовательно во времени на частоты элементарных колебаний излученного ПМЧ сигнала, причем первый фильтр 9-1 настраивается в точности на те частоты, которые задаются генератором 12, второй фильтр 9-2 настраивается со сдвигом всех частот на одну позицию, третий фильтр 9-3 - на 2 позиции и т.д. Таким образом, решающий блок 10, на входы которого поступают сигналы с выходов всех перестраиваемых фильтров 9-1, ..., 9-P, отберет наибольший сигнал того фильтра, настройка которого совпадает с дискретным сдвигом псевдослучайной последовательности в результате информационной модуляции элементов ПМЧ сигнала на передающей стороне.

Синхронизация генераторов 5, 12 ПСПЕР, датчиков 7, 13 опорных частот, датчика 1 информации, генератора 2 ПМЧ сигналов, перестраиваемых фильтров 9-1, ..., 9-P, решающего блока 10 осуществляется генераторами 4, 11 тактовых импульсов, идентичными на передающей и приемной сторонах.

Примечание. В первоисточнике прототипа (Варакин Л.С. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985, с. 19, рис. 1.11) генераторы 5 и 12 названы генераторами кодовой последовательности (ГМЧ) частотно-манипулированного (ЧМ) широкополосного сигнала (ШПС). В нашем же описании генераторы 5 и 12 переименованы в генераторы псевдослучайных перестановок, потому что, как отмечено в первоисточнике, "всего используется М частот, и ни одна из них не применяется дважды в одном ШПС", ПМЧ сигнале, в нашей терминологии, а это означает, что за длительность T ПМЧ сигнала генераторы 5 и 12 вырабатывают набор из H различных псевдослучайных чисел a1, a2, ..., aH, который, как известно, называется перестановкой (см. например, Бронштейн И. Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУзов. - М., 1957, с. 163 или - М., 1980, с. 199).

Модуляции ПМЧ сигнала сдвигом его элементарных частотных сигналов на некоторую фиксированную позицию, связанную со значением информационного сигнала, вырабатываемого датчиком 1 информации, допускает простую техническую реализацию модулятора 14 на передающей и частотного модулятора 16 на приемной сторонах, однако имеет существенный недостаток - позволяет имитировать информационный сигнал, например переизлучением ПМЧ сигналов с постоянным сдвигом его элементов на одно и то же значение частоты. Действительно, пусть, например, ПМЧ сигнал формируется из 16 частот, т.е. M = 16. Следовательно, алфавит информационных символов также не превышает 16. Будем для конкретности считать, что в качестве информационных символов используются числа 0,1, ...15. Тогда, как уже отмечалось, передаче информационного символа, скажем 2, соответствует сдвиг в информационном модуляторе 14 псевдослучайных чисел a1, ..., aH на две позиции a1⊕2,...,aH⊕2, что, в свою очередь, соответствует сдвигу частоты элементов ПМЧ сигнала на выходе генератора 2 также на две позиции f1⊕2,...,fH⊕2. Ясно, что если передается информационный символ 2 и одновременно переизлучаются элементы ПМЧ сигнала большей мощности со сдвигом, например, на 3 позиции, то решающий блок 10 на приемной стороне выделит ПМЧ сигнал f1⊕5 ...,fM⊕5, т.е. сигнал, соответствующий информационному символу 5.

Аналогичный недостаток - детерминированный характер функции модуляции псевдослучайной последовательности, определяющей закон переключения элементов ПМЧ сигнала, информационной последовательностью - присущ и аналогам. Так, в системе из кн. Журавлев В.И. Поиск и синхронизация в широкополосных системах. - М.: Радио и связь, 1986, с. 9, рис. 1.3 используется метод модуляции, аналогичный уже описанному, когда "широкополосный сигнал (ШПС) дополнительно манипулируют символами двоичного сообщения, причем символу 1 соответствует исходный ШПС, а символу 0 - его инверсия" (для этого в устройство на рис. 1.3 введен преобразователь абсолютного кода в относительный код (АК/ОК), на вход которого поступают двоичные сигналы дискретного сообщения d(t).

Целью изобретения является повышение помехозащищенности системы связи.

Поставленная цель достигается тем, что в систему связи, содержащую на передающей стороне датчик информации, датчик опорных частот, коммутатор, последовательно соединенные генератор тактовых импульсов и генератор псевдослучайных перестановок, а также последовательно соединенные генератор последовательных многочисленных сигналов и выходной блок, при этом второй выход генератора тактовых импульсов соединен с входом датчика опорных частот и вторыми входами генератора псевдослучайных перестановок и генератора последовательных многочастотных сигналов, а третий выход подключен к входу датчика информации, а на приемной стороне - датчик опорных частот, последовательно соединенные генератор тактовых импульсов и генератор псевдослучайных перестановок, а также последовательно соединенные входной блок, блок перестраиваемых фильтров и решающий блок, при этом второй выход генератора тактовых импульсов соединен с входом датчика опорных частот и вторым входом генератора псевдослучайных перестановок, а третий выход подключен к вторым входам блока перестраиваемых фильтров и дополнительному входу решающего блока, введены на передающей стороне P-канальный мультиплексор, адресные и информационные входы которого соединены соответственно с выходами генератора псевдослучайных перестановок и датчика опорных частот, а выходы соединены с информационными входами коммутатора, адресные входы и выход которого подключены к выходам датчика информации и первому входу генератора последовательных многочисленных сигналов, а на приемной стороне P-канальный мультиплексор, адресные и информационные входы которого соединены соответственно с выходами генератора псевдослучайных перестановок и датчика опорных частот, а выходы соединены с третьими входами блока перестраиваемых фильтров.

Структурная схема заявляемой системы связи представлена на фиг. 3 (передающая часть) и фиг. 4 (приемная часть), где:
1 - датчик информации,
2 - генератор последовательных многочастотных (ПМЧ) сигналов,
3 - выходной блок,
4, 11 - генераторы тактовых импульсов (ТИ),
5, 12 - генераторы псевдослучайных перестановок (ПСПЕР),
6 - коммутатор,
7, 13 - датчики опорных частот (ОЧ),
8 - входной блок,
9-1, ..., 9-P - перестраиваемые фильтры,
10 - решающий блок,
14, 15 - P-канальные мультиплексоры.

В предлагаемой системе связи на передающей стороне (фиг. 3) генератор 4 ТИ первым выходом подключен к последовательно соединенным генератору 5 ПСПЕР, P-канальному мультиплексору 14, коммутатору 6, генератору 2 ПМЧ сигналов и выходному блоку 3, при этом адресные входы коммутатора 6 и информационные входы P-канального мультиплексора 14 соединены с выходами соответственно датчика 1 информации и датчика 7 ОЧ, второй выход генератора 4 ТИ соединен с входом датчика 7 ОЧ, вторыми входами генератора 5 ПСПЕР и генератора 2 ПМЧ сигналов, а третий выход соединен с входом датчика 1 информации.

На приемной стороне (фиг. 4) входной блок выходом подключен к входам перестраиваемых фильтров 9-1,..., 9-P, выходы которых соединены с соответствующими входами решающего блока 10; генератор 11 ТИ первым выходом подключен к последовательно соединенным генератору 12 ПСПЕР и P-канальному мультиплексору 15, информационные входы которого соединены с выходами датчика 13 ОЧ, а выходы подключены к третьим входам перестраиваемых фильтров 9-1, ..., 9-P, при этом второй выход генератора 11 ТИ соединен с входом датчика 13 ОЧ и вторым входом генератора 12 ПСПЕР, а третий выход соединен с вторыми входами перестраиваемых фильтров 9-1, . .., 9-P и дополнительным входом решающего блока 10.

Прием и передача в предлагаемой системе связи производится следующим образом.

На передающей стороне (фиг. 3) генератором 5 псевдослучайных перестановок, идентичным генератору 12 на приемной стороне, за длительность τ элемента последовательного многочастотного (ПМЧ) сигнала формируется столбец из P различных K-разрядных (2^K = M, P ≅ M) чисел (псевдослучайная перестановка из P чисел), который по PK цепям поступает на адресный вход P-канального мультиплексора 14, на информационный вход которого по M цепям подается сетка из M опорных частот от датчика 7, например, путем деления одной опорной частоты F_оп. В зависимости от значения сигнала на адресных входах мультиплексора 14, сигналы с выхода датчика 7 опорных частот коммутируются на выход P-канального мультиплексора 14, и P из них по P цепям подаются на сигнальный вход коммутатора 6 из P в 1, управляемый по D (2^D = P)адресным входам сигналами от датчика 1 информации. В соответствии с опорными сигналом, поступившим от коммутатора 6 на вход генератора 2 ПМЧ сигналов, последний вырабатывает элементарное колебание, которое усиливается по мощности и излучается антенной в выходном блоке 3. На следующем τ-такте генератором 5 ПСПЕР формируется другой столбец из P различных чисел, который снова управляет коммутацией опорных частот датчика 7 в мультиплексоре 14, а следовательно, и выбором частоты излучения второго элемента ПМЧ сигнала и т.д. до H (H - число элементов ПМЧ сигнала, H ≅ M, причем за длительность T (T=Hτ) ПМЧ сигнала (H τ-тактов) выбор опорной частоты в коммутаторе 6 осуществляется одним и тем же управляющим сигналом с выхода датчика 1 информации, что эквивалентно выбору из каждого текущего столбца псевдослучайной перестановки одной и той же строки. Другими словами, передача одного из P последовательных многочастотных (ПМЧ) сигналов, скажем j-го ПМЧ сигнала, состоящего из H элементов, эквивалентна формированию на передающей стороне матрицы из PxH псевдослучайных чисел:
(1)
и выбору из нее j-й строки, определяющей последовательность смены частот (H значений) ПМЧ сигнала. Такую матрицу будем называть частотно-временной (ЧВ) матрицей столбцовых перестановок (частотно-временной, так как матрица определяет порядок переключения частоты элементов ПМЧ сигнала за его длительность (время T); столбцовых перестановок, потому что ее столбцы являются перестановками).

Для формирования за длительность τ элемента ПМЧ сигнала PK двоичных чисел (псевдослучайныой перестановки из P K-разрядных чисел) на первый вход генератора 5 ПСПЕР подаются с периодом μτ(μτ≪τ) тактовые импульсы с первого выхода генератора 4, тактирование генератора 5 ПСПЕР, генератора 2 ПМЧ сигналов и датчика 7 опорных частот с периодом осуществляется с второго выхода генератора 4, а запуск датчика 1 информации с периодом T = Hτ, равным длительности ПМЧ сигнала, производится тактовыми импульсами с третьего выхода генератора 4.

Следовательно, основное отличие предлагаемой системы состоит в том, что за время T = Hτ ПМЧ сигнала формируется не H псевдослучайных чисел, а набор из H столбцов - ЧВ матрица (1), столбцы которой являются псевдослучайными перестановками.

Модуляция информационным символом J (J = 0,1, ..., P-1) ЧВ матрицы столбцовых перестановок, точнее опорных частот датчика 7, отвечающих значениям псевдослучайных перестановок, вырабатываемых генератором 5 ПСПЕР, в предлагаемой системе осуществляется выбором строки матрицы (1), соответствующей значению передаваемого символа J. Предположим, значению J = 0 соответствует первая строка a11. ..a1H, значение H = 1 - вторая строка a21...a2H и т.д., тогда передаче символа J (J = 0, 1, ..., P-1) будет соответствовать выбор строки a(J+1)1...a(J+1)H.

При таком методе модуляции на информационный модулятор, функцию которого выполняет коммутатор 6, подается не одно псевдослучайное число, с которым производится детерминированная операция (суммирование по модулю P), а набор (столбец) псевдослучайных чисел, в результате чего появляется новое качество: при различных значениях информационного символа результаты модуляции - строки ЧВ матрицы (1) - не связаны друг с другом функциональной зависимостью, что исключает возможность имитации непередаваемого символа регулярным воздействием на передаваемые элементы ПМЧ сигнала, например, переизлучением элемента со сдвигом его частоты на фиксированное число позиций.

На приемной стороне за длительность Т (T = Hτ) последовательного многочастотного сигнала формируется матрица, аналогичная (1), и, поскольку информационный символ (передаваемая строка ЧВ матрицы) неизвестен, на каждом τ-такте (элементе) ПМЧ сигнала в качестве опорных для фильтров 9-1, ..., 9-P используются все P значений текущего столбца: для фильтра 9-1 - значение a1R, фильтра 9-2 - значение a2R,..., фильтра 9-P - значение aPR, R = 1, 2, . . . , H. В нашем примере (передается ПМЧ сигнал, частоты элементов которого определяются j-й строкой матрицы (1)) фильтр 9-j, на который последовательно во времени подаются опорные колебания частот, соответствующие значениям строки aj1, aj2...ajH, за H τ-тактов (длительность ПМЧ сигнала) накопит максимальное напряжение и решающий блок 10, где определяется фильтр с наибольшим сигналом, выделит переданный символ (номер j-й строки), который поступит к получателю информации (или на вход декодера), если на передающей стороне производилось кодирование сообщения. Для синхронизации генератора 12 псевдослучайных перестановок датчика 13 опорных частот используются, как и на передающей стороне, тактовые импульсы с первого и второго выходов генератора 11, а сброс напряжений фильтров 9-1, ..., 9-P, с периодом T = Hτ, осуществляется тактовыми импульсами с третьего выхода генератора 11.

Таким образом, использование на передающей и приемной стороне предлагаемой системы связи новых блоков - P-канальных мультиплексоров - позволяет исключить основной недостаток систем прототипа и аналогов - возможность имитации информационного символа, скажем, сдвигом элементов ПМЧ сигнала на одно и то же значение частоты, поскольку поэлементная модуляция символом сообщения исходной псевдослучайной последовательности (столбцовой перестановки), определяющей порядок следования частот элементов ПМЧ сигнала, осуществляется в заявляемой системе не по детерминированному правилу, не изменяющемуся от информационного символа к символу, как в прототипе и аналогах, а стохастически: каждому возможному значению информационного символа на каждом элементе ПМЧ сигнала сопоставляется определенное число (позиция) в столбцовой перестановке, совокупность которых за длительность ПМЧ сигнала образуют строку, и модуляция заключается в выборе псевдослучайной строки, отвечающей передаваемому в данный момент информационному символу; при передаче следующего информационного символа формируется новый набор псевдослучайных столбцов и снова из него выбирается псевдослучайная строка, отвечающая новому информационному символу и т.д., т.е. отсутствует функциональная (детерминированная) связь между псевдослучайными строками как внутри набора столбцов (ЧВ матрицы), так и между наборами столбцов (ЧВ матрицами), что исключает имитацию информационного символа.

Техническая реализация предлагаемой системы связи не вызывает принципиальных затруднений; введенные в систему мультиплексоры могут быть выполнены, например, на микросхемах 564 серии - логических элементах И-НЕ 564 ЛС2.

Изобретение может быть использовано для передачи и приема дискретной информации широкополосными системами с последовательными многочастотными (ПМЧ) сигналами. Техническим результатом является защита от имитации передаваемого символа, например, сдвигом элементов отвечающего ему ПМЧ сигнала на одно и то же значение частоты. Это достигается тем, что к известным блокам - датчику информации, генератору ПМЧ сигналов, коммутатору, выходному блоку, входному блоку, блоку перестраиваемых фильтров, решающему блоку, генераторам тактовых импульсов, генераторам псевдослучайных перестановок и датчикам опорных частот - на передающей и приемной сторонах системы введено по одному Р-канальному мультиплексору. Модуляция символом сообщения псевдослучайной последовательности, определяющей порядок следования частот элементов ПМЧ сигнала, осуществляется в заявляемой системе не детерминированно, а стохастически: для каждого элемента ПМЧ сигнала генерируется столбец псевдослучайных чисел, являющихся перестановкой, из которого каждому возможному значению информационного символа сопоставляется определенное число (позиция), совокупность которых за длительность ПМЧ сигнала образует набор строк, и модуляция заключается в выборе псевдослучайной строки, отвечающей передаваемому в данный момент информационному символу. 4 ил.

Система связи, содержащая на передающей стороне датчик информации, датчик опорных частот, коммутатор, последовательно соединенные генератор тактовых импульсов и генератор псевдослучайных перестановок, а также последовательно соединенные генератор последовательных многочастотных сигналов и выходной блок, при этом второй выход генератора тактовых импульсов соединен с входом датчика опорных частот и вторыми входами генератора псевдослучайных перестановок и генератора последовательных многочастотных сигналов, а третий выход подключен к входу датчика информации, на приемной стороне - датчик опорных частот, последовательно соединенные генератор тактовых импульсов и генератор псевдослучайных перестановок, а также последовательно соединенные входной блок, блок перестраиваемых фильтров и решающий блок, при этом второй выход генератора тактовых импульсов соединен с входом датчика опорных частот и вторым входом генератора псевдослучайных перестановок, а третий выход подключен к вторым входам блока перестраиваемых фильтров и дополнительному входу решающего блока, отличающаяся тем, что введены на передающей стороне Р-канальный мультиплексор, адресные и информационные входы которого соединены соответственно с выходами генератора псевдослучайных перестановок и датчика опорных частот, а выходы соединены с информационными входами коммутатора, адресные входы и выход которого подключены к выходам датчика информации и первому входу генератора последовательных многочастотных сигналов, а на приемной стороне - Р-канальный мультиплексор, адресные и информационные входы которого соединены соответственно с выходами генератора псевдослучайных перестановок и датчика опорных частот, а выходы соединены с третьими входами блока перестраиваемых фильтров.