СПОСОБ СЖАТИЯ ШИРИНЫ СПЕКТРА ИНФОРМАЦИОННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ С ОГРАНИЧЕННОЙ ПОЛОСОЙ ЧАСТОТ Российский патент 2002 года по МПК H04B1/66 

Изобретение относится к технике передачи информации и может использоваться в системах электросвязи, когда необходимо сжатие ширины спектра передаваемых сигналов для уменьшения полосы частот проводного или радиоканала и (или) требуется обеспечить скрытность передаваемых сообщений.

Известен [1] способ сжатия ширины спектра частот сигналов путем записи исходного сигнала в некотором запоминающем устройстве (например, в магнитофоне) и последующего воспроизведения и передачи по каналу в замедленном режиме.

Недостатком этого способа является увеличение времени передачи сообщений (времени занятия канала) и дополнительная задержка принимаемого сообщения относительно сообщения, поступившего от источника, что в большинстве систем связи оказывается неприемлемым; передача непрерывных (без пауз) сигналов таким способом невозможна.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) можно считать способ [2] преобразования ширины спектра частот, допускающий как расширение, так и сжатие спектра, в котором операции записи в запоминающем устройстве предшествует представление сигнала в дискретном виде. При этом дискретные отсчеты исходного сигнала (следующие с периодом T₁=1/2F₁, где F₁ - верхняя частота в спектре сигнала) записываются в запоминающем устройстве с одной скоростью, а считываются (в режиме, обеспечивающем сжатие спектра) с меньшей скоростью. Затем из последовательности отсчетов с увеличенными тактовыми интервалами Т₂(Т₂>T₁) формируются непрерывные сигналы, которые и подаются на вход канала связи.

Однако и этому способу свойственны указанные выше недостатки (увеличение времени занятия канала, дополнительная задержка сообщений, невозможность передачи непрерывных (без пауз) сигналов).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является сжатие ширины спектра сигналов электросвязи без уменьшения объема информации, приходящегося на единицу времени существования исходного сигнала, т.е. без уменьшения скорости передачи информации; при этом обеспечивается скрытность передаваемых сообщений.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что, как и в способе - прототипе [2], исходные непрерывные сигналы дискретизируется по времени, искусственно увеличиваются тактовые интервалы между дискретными отсчетами и формируются непрерывные сигналы с соответственно более узкой полосой частот, но в отличие от указанного способа [2] период следования дискретных отсчетов увеличивается не искусственной задержкой каждого следующего отсчета относительно предыдущего (без изменения самих отсчетов), а быстрым (при применении современных высокоскоростных вычислительных устройств) преобразованием (свертыванием) отсчетов каждой группы, на которые предварительно разделяется вся последовательность отсчетов, в один эквивалентный групповой отсчет (ГО) - импульс, величина амплитуды и полярность которого в совокупности взаимно однозначно отображают аналогичные параметры исходных импульсов-отсчетов соответствующей группы. Причем сигналы, допускающие сжатие спектра, т. е. имеющие ограниченную полосу частот, могут принадлежать как одному, так и нескольким (разным) источникам; в последнем случае составной сигнал может быть образован на основе частотного или временного принципов разделения сигналов.

На чертеже иллюстрируется один из вариантов формирования ГО. Исходный сигнал (чертеж a) u(t) (он может быть и составным) в результате дискретизации по времени с шагом T₁=l/2F₁, где F₁ - верхняя частота в спектре сигнала u(t), представляется последовательностью импульсов-отсчетов u₁(t). Эта последовательность разбивается на группы, например, по 3 отсчета в каждой группе. С учетом именно такого варианта выполнен чертеж б. Причем рассмотрен случай, когда импульсы, отображающие первые отсчеты в группах (u₁(t) на чертеже б), сохраняют свои параметры (полярность и амплитуду), а вторые и третьи импульсы-отсчеты квантуются по уровню и кодируются, т.е. представляются двоичными кодовыми комбинациями - сигналы u₂(t) на чертеже б. Затем из каждой группы сигналов, состоящей из u₁(t) и u₂(t) (чертеж б), формируется групповой импульс-отсчет u₃(t) (чертеж в).

Как видно из чертежа, сигналы u₃(t) следуют с периодом T₂=3T₁, следовательно, для преобразования последовательности импульсов u₃(t) в непрерывный сигнал u₄(t) может быть использован фильтр нижних частот (ФНЧ) с частотой среза F₂=1/2T₂=1/2•3T₁=F₁/3. Если при разделении отсчетов (u₁(t)) исходного сигнала (u(t)) на группы каждая из них будет содержать не 3, а n>3 отсчетов, то после формирования групповых отсчетов (ГО) и обработки их в ФНЧ соответственно повысится и степень сжатия спектра: F₂=F₁/n.

Рассмотренный способ в целом свободен от недостатков, свойственных способу - прототипу [2]: постоянная незначительная задержка принятых сообщений относительно сообщений, поступивших от источника, обусловлена лишь временем формирования ГО и восстановления исходных сигналов, т.е. связана с техническим совершенством вычислительных устройств, реализующих соответствующие алгоритмы, и не препятствует передаче непрерывных (без пауз) сигналов.

Поскольку амплитуда, полярность и частота следования импульсов, отображающих ГО, принципиально отличаются от аналогичных характеристик отсчетов исходного сигнала, вновь сформированный непрерывный сигнал со сжатым спектром становится совершенно неузнаваемым. А если учесть, что параметры алгоритма, обеспечивающего свертку нескольких отсчетов в один ГО, можно время от времени изменять, то извлечь какую-либо информацию из нового сигнала для непосвященного становится практически невозможным.

В системах с модемами для сжатия ширины спектра сигналов, поступающих в линию связи, и (или) обеспечения скрытности передаваемой информации достаточно применить предлагаемый способ к модулирующим сигналам. При этом степень сжатия спектра определяется не только параметрами алгоритма формирования ГО, но и видом модуляции (манипуляции).

Предлагаемый способ без каких-либо ограничений совместим с другими известными способами уменьшения полосы частот сигналов (устранение избыточности, линейное предсказание, многопозиционное кодирование, применение речепреобразующих устройств и т.д.) и может использоваться как средство повышения эффективности этих способов.

Для реализации свертки каждой j-й (j=1,2,3,...) группы отсчетов ИО_j1, ИO_j2,..., ИО_j,n) исходного сигнала (ИС) в один групповой отсчет ГО_j предлагается способ, сущность которого заключается в том, что все исходные отсчеты (или все, кроме первых отсчетов в группах ИO_j1) квантуются по уровням и представляются двоичными кодовыми комбинациями KK_отсj,k (k=1,2,...n), образующими в совокупности групповую кодовую комбинацию ГКК_j, в последующем разделяемую на части КК_i,j, где i - номер этапа формирования ГО_j, i=1,2,...,m; каждой из кодовых комбинаций КК_i,j с учетом ее численного значения ставится в соответствие индивидуальное сочетание информационных чисел х_i и у_i, используемых в рекуррентных алгоритмах (1) и (2) m-этапных процессов формирования и разделения ГО_j, устанавливающих взаимно однозначное соответствие параметров ГО_j и квантованных отсчетов ИO'_j1, ИО'_j2,..., ИО'_j,n:
H_i=x_ik[H_i-1+C(1+2y_i], i=1,2,...,m, (1)
где Н_i - промежуточное значение ГО_j, Н_m - окончательное значение ГO_j;
x_i - двоичное число ±1, которое отображает символы "1", "0" и несет часть информации об амплитуде и (или) знаке очередного отсчета исходного сигнала или другую информацию;
k - положительное дробное десятичное число (<1), выполняющее роль нормирующего коэффициента для ограничения области изменения значений Н_i;
Н₀ - (Н_i-1 при i=1) - значение 1-го отсчета в группе (ИО_j1) или поверочное число, которое используется для оценки правильности восстановления отсчетов (ИО'_j1, ИО'_j2,..., ИО'_j,n);
С - нормирующий коэффициент (положительное десятичное число), его назначение - делать величину [H_i-1+С(1+2y_i)] всегда положительной;
у_i - целое или дробное десятичное число, указывающее ту или иную область значений =[H_i-1+C(1+2y_i)] (|H_i| модуль Н_i; ширина каждой области равна Δ == 2С(1+2у_min); центр области соответствует величине С(1+2у_i); число областей равно r_i - число двоичных разрядов в кодовой комбинации, которую отображает у_i) и несущее полную или частичную информацию о параметрах (знаке и амплитуде) одного или нескольких квантованных отсчетов j-й группы исходного сигнала (или другую информацию); на каждом i-м этапе формирования ГО_j у_i может принимать одно из М значений (позиций); различные значения у_i от y_min до у_max изменяются с одинаковым шагом δ, например у_i={ 0,1,2,3,4,5,6,7} (здесь δ= 1; М=8; r₁=log₂8=3) или y_i={0,5; 2,5; 4,5; 6,5} (здесь δ= 2; M=4; r₁=log₂4=2); с учетом х_i комбинация {х_i, у_i} несет информацию, представленную r_1i=(r₁+1) двоичными разрядами;
m - число этапов формирования ГО_j; максимальное (без перекрытия областей |H_i|/k, которым принадлежат различные значения y_i) значение k равно
k_max=(1+2y_min)/2(1+y_min+y_max), (*)
где у_min и у_max соответственно - минимальное и максимальное значения у_i;

по полученным с помощью (2) численным значениям х_i и у_i в обратной последовательности восстанавливаются кодовые комбинации КК_i,j, ГКК_j, и КК_отсj,k, отсчеты ИO'_j1, ИО'_j2,..., ИО'_j,n (j=1,2,3,...) и сигнал ИС', отличающийся от исходного сигнала ИС тем, что он формируется из квантованных отсчетов.

Использование алгоритма (1) предполагает, что исходный сигнал ограничен по амплитуде (это условие выполняется практически во всех системах как одноканальных, так и многоканальных). При этом величина С(1+2у_min) может, в частности, выбираться равной принятому (фактическому) уровню амплитудного ограничения. В этом случае динамический диапазон сигнала после сжатия спектра практически останется прежним.

Примечания:
1) кроме сжатия спектра и обеспечения скрытности передачи сообщений, информационные параметры х_i и у_i и соответствующие двоичные разряды или их комбинации могут использоваться в качестве служебных сообщений (например, для повышения точности восстановления, служебной связи, тестирования канала), для организации многоканальной передачи от нескольких источников и т.п. ;
2) формирование и восстановление значений Н_i можно осуществлять либо аналоговыми вычислительными устройствами (АВУ), либо - цифровыми (ЦВУ), например, используя микропроцессор, но в последнем случае значения Н_i должны представляться десятичными числами с максимальным числом знаков (разрядов) после запятой;
3) т. к при наличии искажений и помех в канале на последних этапах восстановления Н_i возможны ошибки в определении х_i и у_i, для уменьшения значимости этих ошибок при формировании Н_i рекомендуется вначале "упаковывать" младшие разряды всех объединяемых отсчетов, а затем - старшие, используя при этом перемежение разрядов; в этом случае при правильном восстановлении старших разрядов все восстановленные отсчеты будут искажены примерно одинаково и в меньшей степени, чем без сжатия спектра, т.к. мощность шума прямо пропорциональна полосе частот канала, а при сжатии спектра эта полоса может быть соответственно уменьшена.

Пример 1 - сжатие спектра в 2 раза, т.е. число объединяемых в один ГО_j отсчетов равно двум; искажения и помехи в канале пренебрежимо малы; число уровней квантования сигнала ИС' 256; число двоичных разрядов (дв.р.) на один отсчет ИС' 1=log₂256=8; значения у_i={0,5; 2,5; 4,5; 6,5} (log₂4=2, т.е. на каждом этапе формирования ГО_j комбинация {х_i, y_i} может отобразить ("упаковать" в ГО_j) максимально 3 дв.р.); в каждый ГО_j "внедряется" 1 служебный дв. р. ; C= 4; число этапов формирования ГО_j равно 6: на 5 этапах "внедряется" по 3 дв.р. и на 1 этапе 2 дв.р. (всего 17 дв.р.; при необходимости эту комбинацию можно перекодировать); на 5 этапах (в соответствии с (*))k_max1= (1+2y_min)/2(1+y_min+y_max)= (1+2•0,5)/2(1+0,5+6,5)=1/8 (принимается k₁=1/10); на одном этапе (для 2-х дв.р.) k_max2=(1+2•0,5)/2(1+0,5+ +2,5)=2/8= 1/4 (принимается k₂= k_max2=1/4); Н₀ (H_i-1 при i=1) принимается равным +6 и используется в качестве поверочного числа, по которому проверяется правильность восстановления.

В таблицах 1 и 2 приведены сведения, образующие базу данных, необходимых для формирования и разделения любых ГО, применительно к указанным выше условиям примера 1.

Принятая для некоторой j-й группы конкретная групповая кодовая комбинация (ГКК_j), отображающая ИO'_j1, ИО'_j2 и 1 служебный разряд (сл.р.), а также разделение этой ГКК_j на части (КК_i,j), используемые на отдельных этапах формирования ГО_j, и выбранные для каждой такой части ГКК_j из табл. 1 числа х_i и y_i приведены в табл.3.

Этапы формирования ГО_j в соответствии с (1):
1. H₁=x₁[H₀+C(1+2y₁)]k₁=+[+6+4(1+2•4,5)]/10=+4,6;
2. Н₂=x₂[Н₁+С(1+2у₂)]k₁=-[+4,6+4(1+2•6,5)]/10=-6,06;
3. Н₃=x₃[Н₂+С(1+2у₃)]k₁=+[-6,06+4(1+2•2,5)]/10=+1,794;
4. H₄=x₄[Н₃+С(1+2у₄)]k₁=-[+1,794+4(1+2•4,5)]/10=-4,1794;
5. Н₅=x₅[H₄+C(1+2y₅)]k₁=-[-4,1794+4(1+2•6,5)]/10=-5,18206;
6. Н₆=x₆[H₅+C(1+2y₆)]k₂=-[-5,18206+4(1+2•0,5)]/4=-0,704485.

Таким образом, ГО_j, эквивалентный выбранным конкретным кодовым комбинациям для ИO'_j1, И0'_j2 и одного служебного разряда ("1"), соответствует величине (-0,704485). Аналогично формируются и другие ГО_j.

Этапы восстановления значений х_i, y_i и Н₀ (в соответствии с приведенным выше алгоритмом (2)):
1. 1) Н₆= -0,704485⇒x₆= -1, |H₆| =0,704485; 2) |H₆|/k₂= 0,704485•4= 2,81794; 3) из табл.2 следует, что |H₆|/k₂ =2,81794 принадлежит области {0.. .16}⇒у₆=0,5, С(1+2у₆)=8; 4) Н₅=|H₆|/k₂-С(1+2у₆)=2,81794-8=-5,18206;
2. Н₅= -5,18206⇒x₅=-1, |H₅| = 5,18206⇒|H₅|/k₁=5,18206•10=51,8206⇒{48... 64}⇒у₅=6,5, C(1+2y₅)=56⇒H₄=51,8206-56=-4,1794;
3. H₄= -4,1794⇒x₄=-1, |H₄| = 4,1794⇒|H₄|/k₁ =4,1794•10=41,794⇒{32...48} ⇒у₄=4,5, С(1+2у₄)=40⇒Н₃=41,794-40=+1,794;
4. Н₃= +1,794⇒х₃=+1, |H₃| = 1,794⇒|H₃|/k₁ =1,794•10=17,94⇒{16...32}⇒у₃= 2,5, С(1+2у₃)=24⇒H₂=17,94-24=-6,06;
5. H₂= -6,06⇒x₂= -1, |H₂| =6,06⇒|H₂|/k₁ =6,06•10=60,6⇒{48...64}⇒у₂=6,5, С(1+2у₂)=56⇒Н₁=60,6-56=+4,6;
6. H₁= +4,6⇒x₁= +1, |H₁| = 4,6⇒|H₁|/k₁ =4,6•10= 46⇒{ 32...48}⇒y₁=4,5, C(l+2y₁)=40⇒Н₀=46-40=+6.

Таким образом, результаты восстановления х_i, у_i и Н₀ совпадают с исходными данными, по полученным значениям х_i и у_i в соответствии с табл. 1 определяются кодовые комбинации (КК_i,j) из 3-х и 2-х разрядов (число разрядов r_1i для любого этапа определяется начальными условиями), из них формируются две 8-разрядные комбинации, отображающие ИO'_j1 и ИО'_j2, и фиксируется служебный разряд. По кодовым комбинациям для ИО'_j1 и ИО'_j2 восстанавливаются квантованные значения ИO'_j1 и ИО'_j2. Аналогично восстанавливаются и другие группы из ИO'_j1 и ИО'_j2 (j=1,2,3,..,), а затем - ИС'.

Пример 2 - сжатие спектра в 3 раза; влиянием искажений и помех в канале пренебрегать нельзя; Н₀=ИO_j1= +2; число уровней квантования ИС' 128; число дв. р. на 1 отсчет ИС' l=log₂128=7, при этом 6 разрядов отображают величину отсчета, а 1 разряд - его знак (-1⇒"0",+1⇒"1"); значения y_i={ 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15} (log₂16= 4, с учетом х_i на каждом этапе формирования ГО_j комбинация {x_i, y_i} может отобразить максимально 5 дв. р. ); соответствие x_i, y_i и кодовых комбинаций (КК_i,j) - в табл.4; С=10; число этапов формирования ГО_j равно 3: на 2-х этапах "внедряется" по 5 дв.р. и на одном этапе 4 дв. р. ; на 2-х этапах (в соответствии с (*)) k_max1= (1+2у_min)/2(1+у_min+у_max)= (1+2•0)/2(1+0+15)= 1/32 (принимается k₁=1/32); на одном этапе k_max2= (1+2•0)/2(1+0+7)=1/16 (принимается k₂=1/16); назначение разрядов в групповой кодовой комбинации (ГКК_j) (для ИО'_j2 и ИO'_j3) и принятые их конкретные значения - в табл.5; перераспределение разрядов в ГКК, с учетом рекомендации 3 Примечаний, разделение разрядов по этапам и конкретные значения х_i и y_i (в соответствии с табл.4) - в табл.6; границы и центры областей в табл.7.

Этапы формирования ГО_о в соответствии с (1):
1. H₁=x₁[H₀+C(1+2y₁)]k₁=-[+2+10(1+2•11)]/32=-7,25;
2. H₂=x₂[H₁+C(l+2y₂)]k₁=-[-7,25+10(1+2•6)]/32=-3,8359375;
3. Н₃=x₃[Н₂+С(1+2у₃)]k₂=-[-3,8359375+10(1+2•2)]/16=-2,8852539.

Таким образом, ГО_j, эквивалентный выбранным конкретным кодовым комбинациям для ИO'_j2 и ИO'_о3, соответствует величине (-2,8852539). Аналогично формируются и другие ГО_j.

Источники информации
1. Харкевич А.А. Избранные труды, т. 2. М.: Наука, 1973.

2. GB 1438716 A, H 04 B 11/66, 1976.

Изобретение относится к технике передачи информации и может использоваться в системах электросвязи, когда необходимо сжатие ширины спектра или радиоканала и(или) требуется обеспечить скрытность передаваемых сообщений. Технический результат - сжатие ширины спектра сигналов электросвязи без уменьшения объема информации и без уменьшения скорости передачи информации и обеспечение скрытности передаваемых сообщений. Сущность изобретения: исходные непрерывные сигналы дискретизируются по времени, искусственно увеличиваются тактовые интервалы между дискретными отсчетами и формируются непрерывные сигналы с соответственно более узкой полосой частот, при этом период следования дискретных отсчетов увеличивается не искусственной задержкой каждого следующего отсчета относительно предыдущего (без изменения самих отсчетов), а быстрым свертыванием отсчетов каждой группы, на которые предварительно разделяется вся последовательность отсчетов, в один эквивалентный групповой отсчет-импульс, величины амплитуды и полярность которого в совокупности взаимно однозначно отображают аналогичные параметры исходных импульсов-отсчетов соответствующей группы. 3 з.п.ф-лы, 1 ил., 7 табл.

1. Способ сжатия ширины спектра информационных электрических сигналов с ограниченной полосой частот, при котором исходные сигналы дискретизируют по времени, искусственно увеличивают тактовые интервалы между дискретными отсчетами во столько раз, во сколько раз уменьшают полосу частот исходного сигнала, и этой результирующей уменьшенной полосой частот ограничивают спектр последовательности дискретных отсчетов с увеличенными тактовыми интервалами, отличающийся тем, что тактовые интервалы между дискретными отсчетами увеличивают быстрым свертыванием отсчетов каждой группы, на которые разделяют всю последовательность отсчетов исходного сигнала, в один эквивалентный групповой отсчет-импульс, величина амплитуды и полярность которого в совокупности взаимно однозначно отображают аналогичные параметры исходных импульсов - отсчетов соответствующей группы. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для реализации свертки каждой j-й (j= 1,2,3, . . . ) группы отсчетов исходного сигнала ИO_jl, ИO_j2, . . . , ИО_j,n в один групповой отсчет ГО_j все исходные отсчеты в группе или все, кроме первого отсчета ИO_jl, квантуют по уровням и представляют двоичными кодовыми комбинациями КК_отсj,k (k= 1,2, . . . , n), образующими в совокупности групповую кодовую комбинации ГКК_j, из которой путем m-этапных преобразований формируют ГО_j, для чего ГКК_j разделяют на кодовые комбинации КК_ij (i= 1,2, . . . , m) и каждой новой из этих комбинаций ставят в соответствие индивидуальное сочетание информационных чисел х_i и y_i, используемых в рекуррентных алгоритмах (1) и (2) m - этапных процессов формирования и разделения ГO_j, устанавливающих взаимно однозначное соответствие параметров ГO_j и квантованных отсчетов ИO'_jl, ИO'_j2, . . . , ИO'_j,n.

H_i= x_ik[H_i-1+C(1+2y_i)] , i= 1,2, . . . , m (1)
где Н_i - промежуточное значение ГО_j;
Н_m - окончательное значение ГО_j;
х_i - двоичное число ±1, которое вместе с y_i отображает кодовую комбинацию КК_ij;
k - положительное дробное десятичное число (<1), выполняющее роль нормирующего коэффициента для ограничения области изменения значений H_i;
Н₀ - (Н_i-1 при i= 1) - значение 1-го отсчета в группе ИО_jl или поверочное число, которое используется для оценки правильности восстановления отсчетов ИO'_jl, ИO'_j2, . . . , ИO'_j,n;
С - нормирующий коэффициент - положительное десятичное число, его назначение - делать величину [H_i-1+C(1+2y_i)] всегда положительной;
y_i - целое или дробное десятичное число, указывающее ту или иную область значений = [H_i-1+C(1+2y_i)] , где |H_i| - модуль Н_i; ширина каждой области равна Δ == 2C(1+2y_min); центр области соответствует величине С(1+2у_i); число областей равно где r_i - число двоичных разрядов в кодовой комбинации, которую отображает y_i; на каждом i-м этапе формирования ГO_jy_i может принимать одно из М значений; различные значения у_i от у_min до у_max изменяются с одинаковым шагом, с учетом х_i комбинация { x_i, y_i} несет информацию, представленную r_li= (r_i+1) двоичными разрядами;
m - число этапов формирования ГО_j;
максимальное без перекрытия областей которым принадлежат различные значения y_i, значение k равно
k_max= (1+2y_min)/2(1+y_min+y_max),
где у_min и у_max - соответственно минимальное и максимальное значения у_i;

по полученным с помощью (2) численным значениям х_i и у_i в обратной последовательности восстанавливают кодовые комбинации КК_ij, ГКК_j и КК_отсj,k, квантованные импульсы-отсчеты ИО'_jl, ИО'_j2, . . . , ИО'_j,n, из которых формируют сигнал с исходным значением полосы частот.