СИСТЕМА КОСМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ С ОРТОГОНАЛЬНЫМИ СИГНАЛАМИ Российский патент 2004 года по МПК H04B7/185 

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для использования в радиосвязи. Известна широкополосная фазовая система связи, содержащая на передающей стороне: преобразователь сообщения, блок квантования, аналого-цифровой преобразователь, генератор несущих частот, коммутатор, фазовый модулятор, полосовой усилитель, на приемной стороне входной полосовой усилитель, блок полосовых фильтров, блок амплитудных детекторов, блок интеграторов со сбросом, блок принятия решения, блок фазовых детекторов, коммутатор сигналов, сумматор, блок стробирования, блок синхронизации, цифроаналоговый преобразователь, фильтр нижних частот (см. авторское свидетельство СССР № 1061271, кл. Н 04 В 7/165, 1982).

Однако, ввиду того, что простые гармонические сигналы, выбранные в качестве переносчика в этой системе, сильно подвержены различного рода помехам, поэтому помехоустойчивость системы связи будет невысока.

Наиболее близкой по технической сущности к предполагаемой заявке является система космической радиосвязи, содержащая: в передающей части - последовательно соединенные коммутатор, преобразователь аналог-цифра, генератор кода Рида-Мюллера, модулятор-передатчик, передающую антенну; в приемной части - приемную антенну, соединенную с приемником, с выхода приемника сигнал поступает на линию задержки, которая одним своим выходом соединена с синхронным генератором, а другими выходами с декодирующей матрицей. Выходы декодирующей матрицы соединены со входами детектора максимального сигнала. Другой вход детектора максимального сигнала соединен с выходом синхронного генератора. Выходы детектора максимального сигнала соединены со входами матрицы цифрового преобразования, выход которой является входом аппаратуры индикации и регистрации (см. Сандерс Р.В. Система связи “Диджилок”. - В книге: Передача цифровой информации. - М.: ИЛ., 1963, с.187-202).

Однако в данной системе космической связи имеется недостаток, заключающийся в том, что используемые в качестве сигналов-переносчиков последовательности Рида-Мюллера имеют значительные боковые пики автокорреляционных функций. Причем у половины последовательностей величина боковых пиков автокорреляционной функции не превышает величины 0,3125 и по ним можно выделить сигнал синхронизации. У второй половины кодовых последовательностей боковые пики автокорреляционной функции больше этой величины и по ним нельзя осуществить синхронизацию системы связи. Если характеризовать в целом используемые в прототипе последовательности Рида-Мюллера, то можно сделать вывод, что они обладают недостаточно хорошими автокорреляционными свойствами, вследствие чего помехоустойчивость системы космической связи будет снижена (см. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985, с.30).

Целью изобретения является повышение помехоустойчивости системы связи.

Поставленная цель достигается тем, что в систему космической радиосвязи, содержащую на передающей стороне последовательно соединенные коммутатор, преобразователь аналог-цифра, генератор кода Рида-Мюллера, модулятор-передатчик, передающую антенну, на приемной стороне приемную антенну, приемник, линию задержки, синхронный генератор, декодирующую матрицу, детектор максимального сигнала, матрицу цифрового преобразования, аппаратуру индикации и регистрации, причем приемная антенна, приемник и линия задержки соединены последовательно, а последняя одним своим выходом соединена со входом синхронного генератора, а другими выходами со входами декодирующей матрицы, выходы которой соединены со входами детектора максимального сигнала, другой вход которого соединен с выходом синхронного генератора, выход детектора максимального сигнала соединен со входом матрицы цифрового преобразования, выход которой соединен со входом аппаратуры индикации и регистрации, введены блок формирования последовательности, содержащий три счетчика, четыре элемента НЕ, два трехвходовых элемента И, элементы И и логический элемент ИЛИ, блок умножения, содержащий два элемента И-НЕ и элемент ИЛИ, причем выход генератора тактовых импульсов соединен со входом генератора кодов Рида-Мюллера, входом первого счетчика, входом первого элемента НЕ и четвертым входом первого четырехвходового элемента И блока формирования последовательности, выход первого счетчика соединен со входом второго счетчика, входом второго элемента НЕ, третьим входом первого четырехвходового элемента И, вторым входом второго четырехвходового элемента И, выход второго счетчика соединен со входом третьего счетчика, входом третьего элемента НЕ, вторым входом второго трехвходового элемента И, вторым входом первого четырехвходового элемента И, выход третьего счетчика соединен с первым входом первого четырехвходового элемента И, входом четвертого элемента НЕ, третьим входом второго четырехвходового элемента И, третьим входом второго трехвходового элемента И, выход первого элемента НЕ соединен с первым входом первого трехвходового элемента И и первым входом второго четырехвходового элемента И, выход второго элемента НЕ соединен с первым входом второго трехвходового элемента И, вторым входом первого трехвходового элемента И, выход третьего элемента НЕ соединен с третьим входом первого трехвходового элемента И, выход четвертого элемента НЕ соединен с четвертым входом второго четырехвходового элемента И, выходы первого и второго четырехвходовых элементов И, первого и второго трехвходовых элементов И соединены соответственно с 1-4 входами четырехвходового элемента ИЛИ, выход которого является выходом блока формирования последовательности и соединен с первыми входами первого элемента И-НЕ и вторым входом элемента ИЛИ логического блока умножения, второй вход первого элемента И-НЕ и первый вход элемента ИЛИ соединены с выходом генератора кодов Рида-Мюллера, а выходы первого элемента И-НЕ и элемента ИЛИ соединены с первым и вторым входами второго элемента И-НЕ, выход которого является выходом логического блока умножения и соединен со входом передатчика.

На фиг.1 представлена структурная схема заявляемой системы космической радиосвязи; на фиг.2 - структурная схема генератора кодов Рида-Мюллера и временные диаграммы, поясняющие принцип его работы; на фиг.3 - временные диаграммы, поясняющие принцип работы блока формирования последовательности; на фиг.4 - временные диаграммы, поясняющие принцип работы системы космической радиосвязи при передаче последовательности №27; на фиг.5 - кодовые комбинации основного кода Рида-Мюллера; на фиг.6 - кодовые комбинации дополнительного кода Рида-Мюллера; на фиг.7 - ансамбль дискретных ортогональных сигналов (ДОС) с улучшенными корреляционными свойствами; на фиг.8 - апериодические функции автокорреляции (ФАК) модифицированного кода Рида-Мюллера; на фиг.9 - апериодические ФАК ансамбля ДОС с улучшенными корреляционными свойствами; на фиг.10 - типичный вид ненормированных периодических функций автокорреляции (ПФАК) последовательностей модифицированного кода Рида-Мюллера и ансамбля ДОС с улучшенными корреляционными свойствами.

Предложенная на фиг.1 система космической радиосвязи содержит на передающей стороне коммутатор 1 аналого-цифровой преобразователь 2 (АЦП), генератор кодов Рида-Мюллера 3, включающий в себя двоичные счетчики 3.1, 3.2, 3.3, элементы И 3.4, 3.5, 3.6, 3.7, 3.8 и полусумматоры 3.9, 3.10, 3.11, 3.12, представленные на фиг.2, блок формирования последовательности 4 (включающий в себя счетчики 4.1, 4.2, 4.3, элементы НЕ 4.4, 4.5, 4.6, 4.7, трехвходовые элементы И 4.9, 4.10, четырехвходовые элементы И 4.8, 4.11 и четырехвходовый элемент ИЛИ 4.12), логический блок умножения 5 (включающий в себя двухвходовые элементы И-НЕ 5.1, 5.3 и двухвходовый элемент ИЛИ 5.2), модулятор-передатчик 6, передающую антенну 7; на приемной стороне приемную антенну 8, приемник 9, линию задержки 10, синхронный генератор 12, декодирующую матрицу 11, детектор максимального сигнала 13, матрицу цифрового преобразования 14, аппаратуру индикации и регистрации 15.

Система космической радиосвязи работает следующим образом.

Аналоговая информация поступает на вход коммутатора 1, который служит для переключения различных источников аналоговых напряжений. Выходное напряжение коммутатора подводится к аналого-цифровому преобразователю 2, в котором аналоговая информация преобразуется к двоичной форме в виде 5-разрядных групп на выходе АЦП, при помощи которых осуществляется управление генератором 3 кодов Рида-Мюллера. В случае передачи информации в цифровом виде она также поступает на коммутатор 1, где коммутируется при помощи стробирующих импульсов, а в аналого-цифровом преобразователе 2 также приводится к виду 5-разрядных групп. С пяти выходных шин аналого-цифрового преобразователя 2 информация поступает в виде параллельно передаваемых манипулированных сигналов (типа “Включено - выключено”), которые стробируют выходы двоичных счетчиков и дополнительную шину постоянного тока генератора кодов Рида-Мюллера 3. Структурная схема генератора кодов Рида-Мюллера и временные диаграммы, поясняющие принцип формирования последовательности № 27 основного кода Рида-Мюллера представлены на фиг.2.

С выхода генератора кодов Рида-Мюллера 3 сформированная последовательность поступает на второй вход логического блока умножения 5. Одновременно и синхронно с формированием последовательности в генераторе кодов Рида-Мюллера 3 на блоке формирования последовательности формируется последовательность, на которую в логическом блоке умножения 5 умножаются все последовательности, поступающие с выхода генератора 3, в результате чего изменяется структура и улучшаются корреляционные свойства последовательностей, поступающих на модулятор-передатчик 6. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы блока формирования последовательности 4, представлены на фиг.3. Принцип его работы заключается в следующем. При поступлении на его вход тактовых импульсов при помощи его счетчиков и логических элементов производится циклическое формирование последовательности, представленной на временной диаграмме (фиг.3, н). В логическом блоке умножения 5 производится логическое умножение последовательностей, поступающих с выхода генератора кодов Рида-Мюллера с последовательностью, поступающей с выхода блока формирования последовательности в соответствии с таблицей состояний, представленной на фиг.4. Временные диаграммы, представленные на фиг.4, поясняют умножение последовательности № 27 основного кода Рида-Мюллера, с последовательностью, поступающей с выхода блока 4 формирования последовательности. В результате чего последовательность приобретает улучшенные корреляционные свойства. Принцип работы генератора кода Рида-Мюллера 3, блока формирования последовательности 4, логического блока умножения 5 при формировании других последовательностей основного и дополнительного кодов Рида-Мюллера и ансамбля сигналов с улучшенными корреляционными свойствами аналогичен описанному выше. Их внешний вид представлен соответственно на фиг.5, 6, 7. После логического умножения последовательности ансамбля сигналов с улучшенными корреляционными свойствами поступают на модулятор-передатчик 6, где они модулируются методом фазовой модуляции и излучаются при помощи передающей антенны 7. Принятые при помощи приемной антенны 8 сигналы поступают на вход синхронного приемника 9 с фазовым детектором, где они демодулируются и далее поступают на вход линии задержки 10 с отводами и фильтром нижних частот. Линия задержки 10 с шестнадцатью отводами и фильтром нижних частот на входе используется для реализации согласованных фильтров для ансамбля сигналов с улучшенными корреляционными свойствами, представленного на фиг.7. Шестнадцать отводов линии задержки 10 подключены через линейную суммирующую матрицу 11 к 32 шинам, по одной шине на каждый передаваемый сигнал. Когда, например, сигнал № 27 полностью заполнит линию задержки, напряжение на шине № 27 будет иметь большую положительную величину. Выходное напряжение всех остальных шин при отсутствии шумов будет равно 0, за исключением шины № 26, на которой развивается большое отрицательное напряжение (это обусловлено тем, что сигнал № 27 является дополнением к сигналу 26, т.е. инверсный ему). Выходы матрицы 11 подключены к детектору максимального сигнала 13, в котором большое выходное напряжение появляется только на одном из 32 проводников в соответствии с принимаемым сигналом, в данном случае на 27 выходе при приеме последовательности № 27. Далее, сигнал по 27-й шине с выхода детектора максимального сигнала 13 поступает на вход матрицы цифрового преобразования 14, на которой происходят процессы, обратные тем, которые были в аналого-цифровом преобразователе 2 при передаче информации. Аналоговый или дискретный сигнал с выхода матрицы цифрового преобразования поступает на вход аппаратуры индикации и регистрации. Согласованность обработки принятого сигнала достигается за счет применения синхронного генератора 12, синхронный вход которого соединен с линией задержки 10, по которому поступает информация о моментах синхронизации после анализа функции автокорреляции принятой последовательности.

Известно, что функция автокорреляции (ФАК) сигнала определяется выражением

где τ - величина временного сдвига сигнала. Из выражения (1) видно, что R(τ) характеризует степень связи (корреляции) сигнала S(τ) с его копией, сдвинутой на величину τ по оси времени. Из (1) также видно, что функция R(τ) достигает максимума при τ=0, так как любой сигнал коррелирован с самим собой. При этом

То есть из выражения (2) следует, что максимальное значение автокорреляционной функции сигнала равно его энергии (см. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Советское радио, 1971, с.68).

В случае, если сигналы пронормированы по энергии, с учетом Е=1, автокорреляционная функция (АКФ) ФМ ШПС состоит из центрального пика с амплитудой, равной 1, и боковых пиков. Амплитуды боковых пиков могут принимать различные значения, но у сигналов с хорошими корреляционными свойствами они малы, то есть существенно меньше амплитуды центрального пика, равной 1 (см. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985, с.30).

Следовательно, значение боковых пиков АКФ, которые обычно меньше основного, зависят от реально используемой кодовой последовательности и являются следствием частичной корреляции кодовой последовательности с той же кодовой последовательностью, сдвинутой во времени. При возникновении таких боковых пиков АКФ способность приемника (системы связи, использующей сигналы определенного класса) к установлению надежной синхронизации ухудшается, так как в этом случае он должен различать основной (центральный) и максимальный боковой пики АКФ (см. Диксон Р.К. Широкополосные системы. - М.: Связь, 1979, с.64). Очевидно, что сигналы, обладающие меньшими по значению боковыми пиками АКФ, являются более помехоустойчивыми.

При помощи ЭВМ авторами был синтезирован ансамбль ортогональных сигналов, представленной на фиг.7, с улучшенными корреляционными характеристиками, используемый в качестве переносчиков информации в заявляемой системе связи. Синтезированный ансамбль сигналов имеет преимущество по своим корреляционным свойствам по сравнению с модифицированным кодом Рида-Мюллера, используемым в системе космической радиосвязи - прототипе. Следовательно, применение синтезированного ансамбля ортогональных сигналов позволяет повысить помехоустойчивость системы космической радиосвязи. Для количественной оценки выигрыша в помехоустойчивости воспользуемся следующим соотношением (см. Л.Е.Варакин. Обнаружение сложных сигналов и измерение их параметров, в журнале “Радиотехника и электроника”, 1973, № 8, с.1594).

где q - отношение сигнал/шум,

R_макс.(τ) - значение максимального бокового пика АКФ используемой кодовой последовательности.

Согласно (3) максимальный боковой пик АКФ R_макс.(τ) практически не окажет влияния на вероятность правильного обнаружения сигнала Р_прав., если разность q-R_макс(τ) будет больше или равна шести.

Отсюда значение максимального бокового пика АКФ при требуемом значении сигнал/шум

Определим значение q при различных значениях R_макс(τ) для модифицированного кода Рида-Мюллера и синтезированного ансамбля дискретных ортогональных сигналов.

Согласно значений АКФ, представленных на фиг.9, для синтезированного ансамбля значения R_макс.(τ)=0,1875 у всех 100% последовательностей ансамбля. Поэтому при применении в системе связи ансамбля сигналов, синтезированного авторами, значение отношения сигнал/шум для системы связи в соответствии с (4) определится следующим образом:

Из выражения (5) следует, что q≥7,3846.

Согласно значений АКФ, представленных на фиг.8, для модифицированного кода Рида-Мюллера значения R_макс.(τ)=0,5. Следовательно, значение отношения сигнал/шум для системы связи с кодами Рида-Мюллера в соответствии с соотношением 4 определится как

,

q≥12.

Из полученных вычислений видно, что при использовании системы дискретных ортогональных сигналов, синтезированной авторами в системе космической радиосвязи, для обеспечения минимальной вероятности правильного приема Р_прав. необходимо обеспечить меньшее отношение сигнал/шум, чем при применении модифицированного кода Рида-Мюллера. Выигрыш при этом по отношению сигнал/шум равен 38%.

Система космической радиосвязи относится к радиотехнике и может быть использована в радиосвязи. Цель изобретения - повышение помехоустойчивости систем связи. Система космической радиосвязи содержит на передающей стороне последовательно соединенные коммутатор, преобразователь аналог-цифра, генератор кода Рида-Мюллера, блок формирования последовательности, включающий три счетчика, четыре элемента НЕ, два трехвходовых элемента И, элемент ИЛИ, логический блок умножения, включающий два элемента И-НЕ, элемент ИЛИ, модулятор-передатчик, передающую антенну, на приемной стороне приемную антенну, приемник линию задержки, синхронный генератор, декодирующую матрицу, декодер максимального сигнала. Новым является введение блока формирования последовательности, содержащего три счетчика, четыре элемента НЕ, два трехвходовых элемента И, два четырехвходовых элемента И, элемент ИЛИ и логического блока умножения, содержащего два элемента И-НЕ и элемент ИЛИ. 10 ил.

Система космической радиосвязи, содержащая на передающей стороне последовательно соединенные коммутатор, преобразователь аналог-цифра, генератор кода Рида-Мюллера, модулятор-передатчик, передающую антенну, на приемной стороне приемную антенну приемник, линию задержки, синхронный генератор, декодирующую матрицу, детектор максимального сигнала, матрицу цифрового преобразования, аппаратуру индикации и регистрации, причем приемная антенна, приемник и линия задержки соединены последовательно, а последняя одним своим выходом соединена со входом синхронного генератора, а другими выходами со входами декодирующей матрицы, выходы которой соединены со входами детектора максимального сигнала, другой вход которого соединен с выходом синхронного генератора, выход детектора максимального сигнала соединен со входом матрицы цифрового преобразования, выход которой соединен со входом аппаратуры индикации и регистрации, отличающаяся тем, что в нее введены блок формирования последовательности, содержащий три счетчика, четыре элемента НЕ, два трехвходовых элемента И, два четырехвходовых элемента И, четырехвходовой элемент ИЛИ, логический блок умножения, содержащий два элемента И-НЕ, элемент ИЛИ, причем выход генератора тактовых импульсов соединен со входом генератора кодов Рида-Мюллера, входом первого счетчика, входом первого элемента НЕ и четвертым входом первого четырехвходового элемента И, выход первого счетчика соединен со входом второго счетчика, входом второго элемента НЕ, третьим входом первого четырехвходового элемента И, вторым входом второго четырехвходового элемента И, выход второго счетчика соединен со входом третьего счетчика, входом третьего элемента НЕ, вторым входом второго трехвходового элемента И, вторым входом первого четырехвходового элемента И, выход третьего счетчика соединен с первым входом первого четырехвходового элемента И, входом четвертого элемента НЕ, третьим входом второго четырехвходового элемента И, третьим входом второго трехвходового элемента И, выход первого элемента НЕ соединен с первым входом первого трехвходового элемента И и первым входом второго четырехвходового элемента И, выход второго элемента НЕ соединен с первым входом второго трехвходового элемента И, вторым входом первого трехвходового элемента И, выход третьего элемента НЕ соединен с третьим входом первого трехвходового элемента И, выход четвертого элемента НЕ соединен с четвертым входом второго четырехвходового элемента И, выходы первого и второго трехвходовых элементов И, первого и второго четырехвходовых элементов И соединены соответственно с 1-4 входами четырехвходового элемента ИЛИ, выход которого является выходом блока формирования последовательности и соединен с первым входом первого элемента И-НЕ и вторым входом элемента ИЛИ логического блока умножения, второй вход первого элемента И-НЕ и первый вход элемента ИЛИ соединены с выходом генератора кода Рида-Мюллера, а выходы первого элемента И-НЕ и элемента ИЛИ соединены с первым и вторым входами второго элемента И-НЕ, выход которого является выходом логического блока умножения и соединен со входом передатчика.