УСТРОЙСТВО СВЯЗИ Российский патент 2002 года по МПК H04L27/30 

Группа заявляемых изобретений относится к электросвязи и предназначена для передачи дискретной информации с помощью шумоподобных сигналов.

Известен ряд способов и устройств для связи на основе использования сигналов с расширением спектра, имеющих название шумоподобных [1]. Общим признаком является оптимальный прием на основе корреляционной обработки принимаемого сигнала и помех с копией ожидаемого сигнала. Различные реализации этого метода определяют все особенности структурной схемы устройств и их подсистем.

Известен способ, реализованный в "сверхширокополосной системе связи" [2] , выбранной в качестве прототипа. В данном способе в качестве сигнала применяется шумоподобный сигнал, представляющий последовательность коротких видеоимпульсов большой скважности с времяимпульсной модуляцией, определяемой передаваемым сообщением. Оптимальный прием реализуется на основе корреляционного приема, система слежения, синхронизации и поиска обеспечивает соответствие временных параметров принимаемого и опорного сигналов.

Способ связи в прототипе обладает недостатком, связанным с выбранной структурой сигнала, представляющего последовательность видеоимпульсов малой длительности с большой скважностью и времяимпульсной модуляцией. Подобный сигнал обладает значительной пиковой мощностью. Вторым недостатком является выбранный метод реализации оптимального приема на основе корреляционной обработки. При большой базе сигнала поиск с высокой надежностью обнаружения может занимать большое время и приводить к неоперативности и меньшей эффективности, так как требует длительной процедуры вхождения в связь. Методы ускорения поиска по времени задержки так или иначе приводят к снижению помехозащищенности и скрытности.

Ожидаемый технический результат предлагаемого решения состоит в повышении помехозащищенности, энергетической и структурной скрытности сигналов в канале связи.

Технический результат достигается формированием на передающей стороне широкополосного шумоподобного сигнала, представляющего собой непрерывную последовательность коротких видеоимпульсов малой скважности (порядка единицы) Структурирование сигнала осуществляют изменением знака, амплитуды и/или временным положением составляющих его импульсов. На приемной стороне осуществляют прием смеси сигнала с помехами и, после обработки принимаемого сигнала, вынесение решения о переданном сообщении. Формирование сигнала на передающей стороне и обработку сигнала на приемной стороне осуществляют методом согласованной фильтрации. Уменьшение скважности и чередование знаков видеоимпульсов сигнала приближает сигнал по параметрам к широкополосному шуму, увеличивает энергетическую и структурную скрытность сигнала за счет уменьшения пиковых мощностей и повышения меры псевдослучайности в структуре сигнала.

Способ связи основан на использовании шумоподобных сигналов в виде непрерывной последовательности видеоимпульсов различной полярности длительностью 0,1-1,0 нс, из которых формируется псевдослучайная последовательность. Скорость передачи определяется длиной кода и частотой следования импульсов и может достигать 100 Мбит/с при низкой спектральной плотности мощности сигнала, затрудняющей обнаружение и обеспечивающей высокую помехоустойчивость. На этом пути существует возможность достижения теоретического предела скорости передачи информации при помощи электромагнитных волн, вплоть до 10 Гбит/с в условиях земной атмосферы. В двоичной системе передачи при помощи противоположных сигналов все элементы псевдослучайной последовательности, соответствующие одному биту сообщения, меняют знаки на противоположные. Подобные импульсы излучаются непосредственно широкополосной антенной без использования модулируемой несущей. Реализация схемы оптимального приема основана на оптимальной фильтрации. При этом принимаемый сигнал с помехами обрабатывается в фильтре, согласованном с псевдослучайной последовательностью, на выходе которого к моменту окончания двоичного сообщения формируется величина, пропорциональная интегралу свертки смеси сигнала и помех с копией псевдослучайной последовательности сигнала. Выделение тактовых импульсов, определяющих моменты окончания сигнала, обеспечиваются системой синхронизации на основе осреднения выборки большого объема и являющейся фильтром, выделяющим периодическую последовательность выпрямленных сигналов на выходе согласованного фильтра.

Известное устройство [2], принятое нами за прототип, состоит из широкополосной передающей антенны, формирующей линии, включенной непосредственно в цепь антенны, задающего генератора импульсов и модулятора, определяющего времяимпульсную модуляцию в соответствии с состоянием источника сообщений. На приемной стороне принятый широкополосной антенной сигнал поступает на коррелятор, где перемножается с опорным сигналом, интегрируется, а решающее устройство демодулятора, являющееся одновременно выходным блоком, принимает решение о символе переданного сообщения. В системе слежения и синхронизации вырабатывается сигнал расстройки, управляющий через цепи обратной связи параметрами генератора импульсов опорного сигнала. Система слежения за относительным временным положением передаваемого и опорного сигналов вырабатывает сигнал расстройки, управляющий параметрами задающего генератора импульсов опорного сигнала.

В основе реализуемого в известном устройстве [2] способа связи лежит корреляционная обработка принимаемого сигнала. Это приводит к необходимости на приемной стороне системы слежения за параметрами принимаемого сигнала, которая должна содержать частотно-зависимые цепи обратной связи. Подобные схемы обладают ограниченной полосой захвата и удержания, а преодоление противоречий между параметрами дискриминатора и цепи обратной связи усложняет систему слежения и снижает потенциал помехоустойчивости.

Такие системы обладают малой устойчивостью при изменении положения приемника и передатчика, что исключает возможность использования устройства на подвижных объектах, кроме того, необходимые элементы базы характеризуются высокой стоимостью.

Ожидаемый технический результат от использования предлагаемого устройства связи состоит в упрощении схемных решений и уменьшении влияния отклонения параметров системы, в том числе при изменении положения приемника и передатчика, например при установке на подвижных объектах, на достоверность и помехозащищенность приема.

Указанный технический результат при осуществлении заявленного устройства достигается тем, что в основу формирования сигнала в передатчике и реализации потенциальной помехоустойчивости на приемной стороне положен согласованный фильтр на основе системы электрических линий задержки. Сжатие сигнала в согласованном фильтре осуществляется в системе параллельных линий задержки и многовходовом сумматоре. Применение согласованного фильтра исключает процедуру поиска и делает систему беспоисковой, что особенно эффективно при пакетном режиме работы. Система синхронизации и обнаружения обеспечивает выделение тактовых импульсов путем накопления выпрямленных сигналов на выходе согласованного фильтра.

Предлагаемое устройство связи содержит передающую и приемную широкополосные антенны. На передающей стороне содержится также задающий генератор импульсов и модулятор, а на приемной - система слежения и синхронизации, демодулятор и выходной блок. Предлагаемое устройство отличается от известного тем, что оно снабжено согласованными фильтрами на передающей и приемной сторонах, а также широкополосным усилителем и коммутатором на приемной стороне, при этом система слежения и синхронизации выполнена в виде линии задержки, вход которой подключен к выходу сумматора, первый вход которого через выпрямитель соединен с выходом согласованного фильтра. Второй вход сумматора соединен с выходом широкополосного усилителя. Выход линии задержки подключен ко входу широкополосного усилителя и через пороговый блок - ко второму входу коммутатора. Согласованные фильтры выполнены на основе системы линий задержки, подключаемых через инверторы к многовходовому сумматору, выход которого через фильтр присоединен на передающей стороне к передающей широкополосной антенне. Структура согласованного фильтра, установленного на приемной стороне, аналогична установленному на передающей стороне и сопряжена с ним. На приемной стороне выход широкополосной приемной антенны через широкополосный усилитель подключен ко входу согласованного фильтра, а выход его подсоединен к первому входу коммутатора и на вход системы слежения и синхронизации. Выход коммутатора через демодулятор подключен к выходному блоку.

На фиг 1 изображена блок-схема передающей части системы. Общий конструктивный элемент приемника и передатчика - согласованный фильтр - изображен на фиг.2. На фиг.3 представлена блок-схема приемной части.

Устройство связи, реализующее заявленный способ, состоит из передающей и приемной частей. В состав передающей части, блок-схема которой представлена на фиг. 1, входит широкополосная антенна 1, например дискоконусная, согласованный фильтр 2, модулятор 3, источник сообщений 4 и задающий генератор импульсов 5. На фиг.2 изображена схема согласованного фильтра передающего устройства, содержащего систему параллельных линий задержки 6 разной длины, длина каждой линии задержки соответствует временной позиции элементов псевдослучайной последовательности. Инверторы 7 соответствуют знаковому шаблону псевдослучайной последовательности сигнала. В состав согласованного фильтра входит многовходовый сумматор 8, в котором осуществляется сложение сигналов с выходов инверторов 7 и фильтр 9, задающий требуемую форму видеоимпульса. В схему приемного устройства (фиг.3) входит широкополосная антенна 10, широкополосный усилитель 11, согласованный фильтр 12, сопряженный передающему, коммутатор 13, демодулятор 14 и выходной блок 15. Коммутатор управляется тактовыми импульсами, сформированными в системе слежения и синхронизации, состоящей из выпрямителя 16, сумматора 17, линии задержкки 18, широкополосного усилителя 19 в цепи обратной связи и порогового блока 20. Линия задержки 18 имеет длину, соответствующую длительности псевдослучайной последовательности элементов шумоподобного сигнала и равна наибольшей задержке в согласованном фильтре.

Устройство связи работает следующим образом: в задающем генераторе 5 передающего устройства формируют короткие видеоимпульсы, которые в модуляторе 3 меняют полярность в зависимости от знака передаваемого сообщения источника сообщения 4. Сформированная последовательность импульсов со скоростью передачи поступает на вход согласованного фильтра 2. Каждый импульс в системе линий задержки 6, выполненной, например, на основе отрезков коаксиального кабеля, задерживается на время, соответствующее временному положению элемента сигнала в псевдослучайной последовательности, меняет знак в инверторах 7 в соответствии со знаковым шаблоном и после многовходового сумматора 8 превращается в псевдослучайную последовательность с требуемой знаковой и временной структурой. Окончательная форма каждого импульса определяется выходным фильтром 9. Сформированная таким образом псевдослучайная последовательность импульсов требуемой формы поступает на широкополосную антенну 1 и излучается в эфир.

В приемной части устройства (aиг. 3) сигнал, принятый широкополосной приемной антенной 10, получает необходимое усиление в широкополосном усилителе 11 и поступает на вход согласованного фильтра приемного устройства 12 Этот фильтр аналогичен по структуре соответствующему узлу в передающем устройстве, основное отличие состоит в том, что знаковый шаблон инверторов 8 является сопряженным передающему, то есть требуемое чередование знаков начинается от линий с наибольшей временной задержкой, тогда как в передающем согласованном фильтре эта последовательность начинается от линии с наименьшим временем задержки. При описанном сопряжении знаковых шаблонов в сумматоре согласованного фильтра приемника к моменту окончания псевдослучайной последовательности происходит сложение с одним знаком элементов сигнала и реализуется сжатие сложного шумоподобного сигнала. Фильтрация завершается в фильтре 9, импульсная реакция которого согласована с элементом сигнала в том смысле, что его амплитудно-частотная характеристика имеет тот же вид, а фазо-частотная инвертирована и сдвинута на длительность элемента сигнала. Это условие является необходимым в схеме реализации оптимального приема на фоне помех в виде белого шума при реализации метода согласованной фильтрации.

Коммутатор 13 подключает выход согласованного фильтра 12 к демодулятору 14 в моменты окончания процесса сжатия шумоподобного сигнала и управляется импульсами системы слежения и синхронизации. В демодуляторе 14 осуществляется сравнение знаков текущего и предшествующего отсчетов, и на основе относительных полярностей определяется знак передаваемого сообщения. Этим устраняется неопределенность полярности импульсов, и решение о знаке сообщения принимается на основе соотношения полярностей двух последующих посылок. Такие функции могут быть реализованы с помощью известных устройств, используемых, например, в системах относительной фазовой телеграфии. Выходной блок 15 осуществляет сопряжение между демодулятором и входным устройством пользователя и может быть выполнен, например, в виде последовательного порта.

В качестве основного узла системы слежения и синхронизации, обеспечивающего выделение тактовых импульсов, используют накопитель-рециркулятор рекурсивного типа. При этом отношение сигнал/шум в системе накопления увеличивается, и решение о моменте окончания сигнала принимается на основе статистической выборки большого объема. Система синхронизации работает следующим образом: выпрямленный в выпрямителе 16 сигнал с выхода согласованного фильтра 12 складывается с задержанным на время длительности сообщения значением. Этот узел является фильтром, согласованным с периодической последовательностью, при этом отношение сигнал/шум в установившемся режиме улучшается в соответствии с коэффициентом усиления усилителя 19. Усилитель 19 предназначен для компенсации потерь в линии задержки 18, общий коэффициент усиления в цепи обратной связи должен быть меньше единицы. Вблизи порога достигается наибольшее значение выигрыша в отношении сигнал/шум на выходе накопителя. Этот же узел может служить для формирования напряжения автоматической регулировки усиления по уровню полезного сигнала. Система синхронизации осуществляет накопление выпрямленных сигналов на выходе сумматора 17. Профильтрованная периодическая последовательность поступает на пороговое устройство 20, формирующее стробирующие импульсы для коммутатора 13. В применяемом методе экспоненциального взвешивания наблюдения, представляющие значения выборки, входят в оценку с весами, убывающими с возрастом данных. Этот метод имеет преимущество в отношении реализации по сравнению, например, с методом скользящего среднего, в последнем случае необходим фильтр с длительностью импульсной реакции, равной времени осреднения, и соответствующая линия задержки большой длины.

Заявленный в изобретении способ связи предназначен для передачи дискретной информации и обладает определенными преимуществами по сравнению с известными решениями. Использование шумоподобных сигналов с малой скважностью и псевдослучайной знаково-амплитудной структурой повышает энергетическую и структурную скрытность системы связи. Заявляемое устройство не содержит сложных электронных блоков, опирается на типовые узлы с полосой рабочих частот соответствующей ширины и опирается на простые схемные решения. Отсутствует необходимость значительного усиления в тракте передающего устройства, так как излучаемая мощность обеспечивается увеличением энергии импульсов задающего генератора, имеющих относительно большую скважность. Применение электрических линий задержки в согласованном фильтре снижает высокие требования к стабильности временных параметров.

Литература:
1. Dixon R.C. Spread spectrum systems with commercial applications. John Wiley & sons. Inc. 1994.-573 р.

2. Патент США 5363108, кл.342/27, опубл. 1994 (прототип).

Изобретение относится к электросвязи и предназначено для передачи дискретной информации с помощью шумоподобных сигналов. Устройство связи содержит на передающей стороне задающий генератор, формирующий короткие видеоимпульсы, которые в модуляторе меняют полярность в зависимости от знака передаваемого сообщения источника сообщения, а также формирователь псевдослучайной последовательности импульсов (ПСП) и передающую широкополосную антенну, а на приемной стороне - приемную широкополосную антенну, которая через широкополосный усилитель подключена ко входу согласованного фильтра, а также демодулятор, выход которого подключен к выходному блоку, и систему слежения и синхронизации (ССС), при этом на передающей стороне формирователь ПСП выполнен в виде согласованного фильтра, содержащего систему параллельных линий задержки разной длины, причем длина каждой линии задержки соответствует временной позиции элементов ПСП, которые подключены через инверторы, соответствующие знаковому шаблону ПСП, к многовходовому сумматору, выход которого через фильтр подсоединен к передающей широкополосной антенне, а на приемной стороне введен коммутатор, выход согласованного фильтра подсоединен к первому входу коммутатора и ко входу ССС, выход коммутатора подключен ко входу демодулятор, причем ССС выполнена в виде линии задержки, вход которой подключен к выходу сумматора, первый вход которого через выпрямитель соединен с выходом согласованного фильтра, второй - с выходом широкополосного усилителя ССС, а выход линии задержки подключен ко входу широкополосного усилителя ССС и через пороговый блок - ко второму входу коммутатора. 3 ил.

Устройство связи, содержащее на передающей стороне задающий генератор импульсов, формирующий короткие видеоимпульсы, которые в модуляторе меняют полярность в зависимости от знака передаваемого сообщения источника сообщения, сформированная последовательность видеоимпульсов поступает на формирователь псевдослучайной последовательности импульсов (ПСП), которая поступает на передающую широкополосную антенну, а на приемной стороне - приемную широкополосную антенну, выход которой через широкополосный усилитель подключен ко входу согласованного фильтра, а также демодулятор, выход которого подключен к выходному блоку, и систему слежения и синхронизации (ССС), отличающееся тем, что на передающей стороне формирователь ПСП выполнен в виде согласованного фильтра, содержащего систему параллельных линий задержки разной длины, причем длина каждой линии задержки соответствует временной позиции элементов ПСП, которые подключены через инверторы, соответствующие знаковому шаблону ПСП, к многовходовому сумматору, выход которого через фильтр подсоединен к передающей широкополосной антенне, а на приемной стороне введен коммутатор, выход согласованного фильтра подсоединен к первому входу коммутатора и ко входу ССС, выход коммутатора подключен ко входу демодулятора, причем ССС выполнена в виде линии задержки, вход которой подключен к выходу сумматора, первый вход которого через выпрямитель соединен с выходом согласованного фильтра, второй - с выходом широкополосного усилителя ССС, а выход линии задержки подключен ко входу широкополосного усилителя ССС и через пороговый блок ко второму входу коммутатора.