УСТРОЙСТВО СВЯЗИ С ПОВЫШЕННОЙ ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТЬЮ И ВЫСОКОЙ СКОРОСТЬЮ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ Российский патент 2008 года по МПК H04L5/00 H04J15/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к скоростным системам радиосвязи (устройствам), использующим импульсные сверхширокополосные (СШП) сигналы без несущей, у которых рабочая полоса и средняя частота сигнала сравнимы по величине.

Уровень техники

Отличие СШП систем связи от традиционных узкополосных - отсутствие несущей частоты. Для передачи информации в СШП системах используются импульсные сигналы с очень короткой длительностью импульсов. Такой сигнал, имеющий малый пространственный временной объем, позволяет передавать большее количество информации в единицу времени. Для передачи одного бита информации узкополосной системе связи требуется от 10 до 50 периодов несущего колебания. В то же самое время СШП система связи использует только одно колебание для передачи информации (одного бита). Очевидно, что использование СШП сигналов позволяет передавать информацию на скорости значительно превышающей скорость традиционных средств связи. Применение СШП сигналов в радиосвязи, повышение надежности и защищенности таких систем от несанкционированного доступа стало возможным благодаря применению технологии, осуществляющей избыточность спектра передаваемого сигнала. К основным преимуществам сверхширокополосных систем относятся:

повышенная помехоустойчивость;

возможность обеспечения кодового разделения каналов;

низкий уровень спектральной плотности;

энергетическая и информационная защищенность связи;

повышенная пропускная способность.

За счет увеличения полосы частот сигнала повышается устойчивость канала связи к воздействию помех от соседних каналов, чем обеспечивается возможность одновременной работы большого числа каналов связи с СШП сигналами в одном частотном диапазоне. Помимо этого, за счет очень низкой спектральной плотности излучаемого сигнала при передаче сообщений обеспечивается высокий уровень его энергетической скрытности и защиты информации. Потенциальные возможности СШП сигналов превосходят возможности обычных широкополосных систем по скорости передачи информации в системах связи, по скрытности работы, по устойчивости к структурным помехам. Поэтому переход к сверхширокополосным сигналам является, по существу, приоритетным решением проблемы повышения информационных возможностей связных систем. В ряде статей и патентов описаны системы связи (устройства) с применением сверхширокополосных сигналов. Примерами подобных устройств могут служить устройства СШП импульсной системы связи, защищенные патентами США [1. US 4641317 Spread Spectrum Radio Transmission System. Larry W. Fullerton. 03.12.84; 2. US 5677927 Ultra wide - Band Communication System and Method. Larry W. Fullerton, Ivan A.Cowie. 14.10.1997; 3. US 5687169 Full Duplex Ultra wide - Band Communication System and Method. Larry W. Fullerton. 24.11.1997].

Эти системы импульсной радиосвязи для передачи информации используют одну или несколько импульсных поднесущих. В этих импульсных радиоприемниках используется кросс-коррелятор, осуществляющий свертку близких по форме входного сигнала с эталонным сигналом, состоящих из ста пятидесяти - двухсот импульсов, засинхронизированных по времени с известным кодом передатчика. Выходное напряжение кросс-коррелятора интегрируется для восстановления сигнала из шума и помех. Общими недостатками этих систем являются существенное снижение пропускной способности канала связи из-за большого требуемого количества импульсов в принимаемом сигнале при формировании выходного сигнала коррелятора и жесткие ограничения на уровень искажений формы принимаемого сигнала в зависимости от расстояния между приемником и передатчиком при распространении СШП сигнала.

Одним из направлений совершенствования СШП систем, предложенным в [4. US 2003/0067963 A1 Mode Controller For Signal Acquisition And Tracking In Ultra Wide Band Communication System. Timothy R. Miller, Gerard P. Lynch, Deepak M. Joseph. 10.04.2003] является построение цифровых систем с обработкой входного сигнала путем считывания определенного числа выборок сигнала и шума, определения вероятностных характеристик уровней мощности сигнала и шума с последующей обработкой, направленной на увеличение отношения сигнал/шум на входе исполнительного устройства, однако большого выигрыша с помощью такой обработки достигнуто не было и он реально составил 2-3 dB.

В более позднем патенте [5. US 2005/0135491 Al Ultra wide - Band Communication System and Method. John Santhoff, Steven A. Moore. 23.06.2005] рассматриваются вопросы электромагнитной совместимости СШП систем связи путем выделения зон и секторов, в пределах которых используются СШП сигналы определенной формы, различающиеся частотой повторения и длительностью кадра, этим повышается устойчивость канала связи к воздействию помех от соседних каналов и обеспечивается возможность одновременной работы большого числа каналов связи в общей полосе частот. Однако это техническое решение связано с специфической особенностью распространения СШП сигналов и не отражает конструктивных особенностей приемного устройства в части увеличения отношения сигнал/шум на входе порогового устройства.

В патенте [6. US 2004/0156445 Al Ultra wide - Band Communication System, Method, And Device With Low Noise Pulse Formation. John W. McCorkle. 12.08.2004] предложено формировать излучаемый СШП сигнал для уменьшения мощности паразитных излучений за счет использования сигнала в виде бифазных вейвлетов, получаемого из исходной кодовой последовательности с помощью двухкаскадных дифференцирующих смесителей, что уменьшает излучение в полосе частот боковых лепестков спектра излучения. Сущностью данного изобретения является применение вейвлетов для формирования излучаемого СШП сигнала передатчиком и не связано с техническим решением применения вейвлет-фильтрации в настоящем заявляемом устройстве.

Известны также высокоскоростные системы связи с СШП сигналами без несущей с использованием сверхбыстродействующего порогового обнаружения [7. US 3662316 Shot Base - Band Pulse Receiver. Kenneth W. Robbins 09.05.1972; 8. US 3728632. Transmission and Reception System for Generation and Receiving Base-Band Duration Pulse Communication System. Gerald F. Ross; 17.04.73; 9. I.J.Immoreev, A.A.Sudakov, "Ultra-Wideband Interference Resistant System for Secure Radio Communication with High Data Rate", ICCSC'02, St. Petersburg, Russian Federation, June 2002, pp.230-233; 10. И.Я.Иммореев, А.A.Судаков, "Сверхширокополосная помехоустойчивая система скрытой связи с высокой скоростью передачи данных", Сборник докладов Всероссийской научной конференции. Муром, 1-3 июля 2003 г. - Муром: Изд. - полиграфический центр МИ ВлГУ, 2003 г., с.435-440].

Для таких систем связи, использующих пороговое обнаружение, искажение формы импульсного сигнала при распространении и приеме не столь критично, как для систем, использующих кросс-корреляторы. Пороговое обнаружение СШП сигналов при всей относительной простоте позволяет реализовать более высокую скорость передачи информации. Для порогового обнаружения необходимо иметь положительное отношение сигнал/шум (SNR) на входе порогового устройства. Если на вход приемного устройства поступает СШП или импульсный сигнал, имеющий достаточную мощность, он проявляется в виде напряжения, превышающего пороговый уровень обнаружения. Однако этот сигнал не будет отражать истинную форму принимаемого сигнала до тех пор, пока полоса частот приемника не будет столь широкой, чтобы воспроизвести нарастание фронта импульса.

Для систем связи важнейшим является параметр, именуемый отношением средней мощности сигнала S к средней мощности шума N (отношение сигнал/шум или SNR: signal - to - noise ratio), который определяется равенством, приведенным в [11. Б. Скляр. Цифровая связь, Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.:Издательский дом "Вильямс", 2003, с.146]:

,

где W - частотная полоса канала связи;

R - скорость передачи данных в битах в секунду;

S - средняя мощность сигнала;

N - средняя мощность шума;

E_b - энергия бита информации;

N₀ - спектральная плотность мощности нормальных аддитивных шумов, равномерная во всей полосе канала.

Согласно формуле (1) введением схемных решений, направленных на увеличение отношения сигнал/шум SNR_out на входе порогового устройства при определенном SNR_in на входе приемника (неизменных степени согласования антенны и приемника, уровня внешних помех и уровня внутренних шумов приемника) можно достичь увеличения скорости передачи информации (R) или увеличить отношение энергии бита информации к спектральной плотности мощности нормальных аддитивных шумов (E_b/N₀). Увеличение соотношения (E_b/N₀) на входе порогового устройства можно рассматривать как эквивалентное увеличение отношения сигнал/шум на входе приемника, что, в свою очередь, соответствует увеличению помехозащищенности приемника. В [7, 8] описаны простые одинаковые схемы импульсных радиоприемников, имеющих низкую чувствительность, общим недостатком которых является работоспособность только при очень больших отношениях сигнал/шум. Более совершенный импульсный приемопередатчик применен в СШП системе связи [9, 10] c регулируемым динамическим диапазоном и чувствительностью при приеме в зависимости от уровня помех на входе приемника. Недостатком этой рассматриваемой системы связи является работоспособность только при определенном, значительно большем единицы, отношении сигнал/шум и не работоспособность системы при равенстве уровней сигнала и шума на входе приемника.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является система связи (устройство), известная под названием "Ultra-Wideband Interference Resistant System for Secure Radio Communication with High Data Rate" [9] ("Сверхширокополосная помехоустойчивая система скрытой связи с высокой скоростью передачи данных"), взятая за прототип.

Для лучшего понимания заявленного изобретения необходимо более подробно рассмотреть работу устройства - прототипа.

Функциональная схема устройства - прототипа приведена на Фиг.1 и содержит в передающей части: буферное устройство 1, генератор 2 СШП импульсов; в приемо-передающей части: переключатель прием/передача 3, полосовой фильтр 4, антенну 5; в приемной части: малошумящий усилитель 6, аттенюатор 7, делитель мощности 8, устройство 9 временного окна канала сигнала, пороговое устройство 10 канала сигнала, буферное устройство 11 канала сигнала, формирователь 12 порогового напряжения канала сигнала, устройство 13 временного окна канала шума, пороговое устройство 14 канала шума, буферное устройство 15 канала шума, формирователь 16 порогового напряжения канала шума, блок 17 обработки и управления, блок 18 синхронизации.

Передающая часть прототипа содержит последовательно соединенные буферное устройство 1, генератор 2 СШП импульсов. Вход буферного устройства 1 соединен с выходом (p) блока 17 обработки и управления, а выход генератора 2 СШП импульсов подключен к входу переключателя 3 прием/передача.

Приемо-передающая часть прототипа содержит последовательно соединенные переключатель 3 прием/передача, полосовой фильтр 4 и антенну 5; управляющий вход переключателя 3 прием/передача соединен c шиной управления (m) блока 17 обработки и управления.

Приемная часть содержит последовательно соединенные малошумящий усилитель 6, вход которого подключен к выходу переключателя 3 прием/передача, аттенюатор 7, делитель мощности 8, первый выход (a) которого подключен к последовательно соединенным устройству 9 временного окна сигнала, пороговому устройству 10, буферному устройству 11; второй выход (b) делителя мощности 8 подключен к последовательно соединенным устройству 13 временного окна канала шума, пороговому устройству 14 канала шума и буферному устройству 15 канала шума. Выходы буферных устройств 11 и 15 каналов сигнала и шума подключены к входам (v) и (n) блока 17 обработки и управления. Выходы формирователей 12 и 16 порогового напряжения каналов сигнала и шума подключены соответственно ко вторым входам (k), (h) пороговых устройств 10 и 14 канала сигнала и шума. Первый выход (c) блока 18 синхронизации подключен ко второму входу (f) устройства 9 временного окна сигнала, второй выход (d) блока 18 синхронизации подключен ко второму входу (g) устройства 13 временного окна канала шума. Шина управления (m) блока 17 обработки управления подключена к управляющим входам формирователей 12 и 16 порогового напряжения каналов сигнала и шума, к управляющему входу блока 18 синхронизации и к управляющему входу аттенюатора 7.

Устройство-прототип (Фиг.1) работает следующим образом. Информация, поступающая на ввод "Вх/Вых" блока 17 обработки и управления, кодируется в последовательность импульсов, которая через буферное устройство 1 запускает генератор 2 СШП импульсов. СШП импульсы поступают через переключатель 3 прием/передача и полосовой фильтр 4 в антенну 5, которая излучает сигнал в эфир. Два канала приемного устройства осуществляют параллельный прием. Один канал служит для приема сигнала, второй - для оценки уровня внешних шумов и сигналов переотражений от препятствий, расположенных на пути распространения СШП сигнала. Основу каждого канала составляют чувствительное пороговое устройство 10 канала сигнала и чувствительное пороговое устройство 14 канала шума, выполненные на базе ключевых туннельных диодов, предназначенных для работы в диапазоне СВЧ. Прием в сигнальном и шумовом каналах осуществляется в соответствующих временных интервалах (временных окнах), обеспечиваемых устройствами 9 и 13 временных окон сигнала и шума соответственно. Прием сигнала в окне, длительность которого не намного превышает длительность информационного сигнала, позволяет обеспечить повышенную помехозащищенность. Сигнал, принимаемый антенной 5 абонентской станции, после усиления малошумящим усилителем 6 подается через аттенюатор 7 и делитель мощности 8 на пороговое устройство 10 канала сигнала и пороговое устройство 14 канала шума. С выхода пороговых устройств 10 и 14 через соответствующие буферные элементы 11 и 15 сигналы поступают на входы (v), (n) цифрового сигнального процессора (ЦСП) блока 17 обработки и управления. Сигнальный процессор анализирует принимаемый сигнал и принимаемые шумы. Анализ внешнего шума заключается в критерийной обработке сигнала, получаемого в шумовом канале. В зависимости от результатов обработки осуществляется регулировка чувствительности приемника путем подстройки порогов в пороговых устройствах 12, 16. Регулировка динамического диапазона приемника производится с помощью аттенюатора 7. По результатам анализа осуществляется также управление работой блока 18 синхронизации. Перед началом работы осуществляется калибровка приемника по внешним шумам. Основные задачи калибровки - установка опорных напряжений, подаваемых на пороговые устройства сигнального и шумового каналов. Калибровка осуществляется после включения питания приемника и после потери сигнала в рабочем режиме. После завершения калибровки приемник переходит в режим поиска сигнала. Поиск сигнала это режим, обеспечивающий вхождение в синхронизм приемника и передатчика системы связи. Передатчик излучает специальный сигнал, который служит для установления соединения между ним и приемником. В этом режиме производится поиск сигнальным окном приемника сигнала передатчика. Принятый сигнал устанавливается по центру окна. Процедура поиска сигнала осуществляется системой синхронизации и так же, как и калибровка, производится после включении питания приемника и после потери сигнала в рабочем режиме. В рабочем режиме постоянно осуществляется оценка уровня шумов в шумовых окнах. При изменении измеренного уровня шума изменяются значения порогов в шумовом и соответственно сигнальном канале, а также происходит регулировка уровня сигнала входным аттенюатором 7. Наряду с этим в рабочем режиме производится постоянное слежение за положением принимаемого сигнала в сигнальном окне. При отклонении положения сигнала от центра окна на заданный минимальный временной интервал система синхронизации формирует команду на смещение сигнального окна на необходимый временной интервал. В случае потери сигнала (отсутствие импульсов в сигнальном окне) система связи выходит из рабочего режима и переходит в режим калибровки и поиска сигнала. Недостатком устройства прототипа является недостаточная чувствительность приема в условиях воздействия помех и потеря работоспособности устройства при равной мощности сигнала и шума на входе приемника.

Заявляемое техническое решение свободно от этого недостатка.

Раскрытие изобретения

Заявляемое техническое решение выгодно отличается от устройства - прототипа тем, что работоспособно даже при одинаковом уровне сигнала и шума (SNR равен 0dB) на входе приемного устройства. Технический результат, на получение которого направлено изобретение - повышение помехозащищенности передачи информации за счет увеличения отношения сигнал/шум (SNR_out) на входе пороговых устройств каналов сигнала и шума путем вейвлет - фильтрации сигнала и шума в приемном тракте. Увеличение параметра SNR_out на выходе вейвлет-фильтра по отношению к SNR_in на входе вейвлет-фильтра эквивалентно увеличению помехозащищенности заявляемого устройства связи при приеме импульсного СШП сигнала минимум на 10 dB в условиях воздействия шумов и помех.

Сущностью изобретения является устройство связи с повышенной помехозащищенностью и высокой скоростью передачи информации, содержащее в приемо-передающей части последовательно соединенные переключатель прием/передача, полосовой фильтр и антенну, управляющий вход переключателя прием/передача присоединен к шине блока обработки и управления; в передающей части последовательно соединенные буферное устройство, генератор сверхширокополосных импульсов, выход которого подключен к сигнальному входу переключателя прием/передача, а вход буферного устройства подключен к первому выходу блока обработки и управления; в приемной части последовательно соединенные малошумящий усилитель, вход которого подключен выходу переключателя прием/передача, аттенюатор, вейвлет-фильтр, выход которого подключен к каналу сигнала, состоящего из последовательно соединенных устройства временного окна канала сигнала, порогового устройства, буферного устройства; выход вейвлет-фильтра подключен также к каналу шума, состоящему из последовательно соединенных устройства временного окна канала шума, порогового устройства и буферного устройства; выходы буферных устройств каналов сигнала и шума подключены к первому и второму входам блока обработки и управления; выходы формирователей порогового напряжения каналов сигнала и шума подключены соответственно ко вторым входам пороговых устройств каналов сигнала и шума; первый выход блока синхронизации подключен ко второму входу устройства временного окна канала сигнала, второй выход блока синхронизации подключен ко второму входу устройства временного окна канала шума; управляющая шина блока обработки управления подключена к входам формирователей порогового напряжения каналов сигнала и шума, к управляющему входу блока синхронизации и к управляющему входу аттенюатора, отличающееся от устройства прототипа тем, что в приемной части вместо делителя мощности используется вейвлет-фильтр, подключенный к выходу аттенюатора; выход вейвлет-фильтра подключен к каналу сигнала, состоящему из последовательно соединенных устройства временного окна, порогового устройства, буферного устройства, и к каналу шума, состоящему из последовательно соединенных устройства временного окна, порогового устройства и буферного устройства.

Включение в приемную часть приемопередатчика вейвлет-фильтра вместо делителя мощности позволяет увеличить отношение сигнал/шум на входе формирователя порогового напряжения канала сигнала и уменьшить уровень шума на входе формирователя порогового напряжения шума.

Краткое описание чертежей

На чертежах изображено:

на Фиг.1 - структурная схема сверхширокополосной помехоустойчивой системы скрытой связи с высокой скоростью передачи данных - прототип,

на Фиг.2 - структурная схема устройства связи с повышенной помехозащищенностью и высокой скоростью передачи информации - заявленная система,

на Фиг.3 - сигнал 202 - закодированная импульсная последовательность сверхширокополосного сигнала без несущей на выходе генератора СШП импульсов,

на Фиг.4 - форма сигнала 204 на входе вейвлет-фильтра (SNR_in=0 dB),

на Фиг.5 - энергетический спектр сигнала 204,

на Фиг.6 - временная диаграмма сигнала 206 на выходе вейвлет - фильтра (SNR_out=10dB)_{(базис разложения MHAT - вейвлет),}

на Фиг.7 - вейвлет- преобразование сигнала 204 (базис разложения MHAT - вейвлет),

на Фиг.8 - временные зависимости вейвлет-коэффициента C^<8> ортогонального вейвлета Добеши из разложения сигнала 204 и сигнал 208 на входе (v) блока 17 обработки и управления.

В чертежах, прилагаемых к описанию, на Фиг.1 изображена структурная схема прототипа для наглядного сравнения со структурной схемой заявленного изобретения.

В обоих чертежах (Фиг.1 и Фиг.2) блоки и устройства, выполняющие одинаковые функции, обозначены одинаковыми номерами, кроме устройства под номером 8, функции которых в заявляемом устройстве и в устройстве - прототипе различны.

Структурная схема сверхширокополосной помехоустойчивой системы скрытой связи с высокой скоростью передачи данных на Фиг.1 содержит в передающей части буферное устройство 1, генератор 2 СШП импульсов; в приемо-передающей части: переключатель 3 прием/передача, полосовой фильтр 4 и антенну 5; в приемной части: малошумящий усилитель 6, аттенюатор 7, делитель 8 мощности, устройство 9 временного окна канала сигнала, пороговое устройство 10 канала сигнала, буферное устройство 11 канала сигнала, формирователь 12 порогового напряжения канала сигнала, устройство 13 временного окна канала шума, пороговое устройство 14 канала шума, буферное устройство 15 канала шума, формирователь 16 порогового напряжения канала шума, блок 17 обработки и управления, блок 18 синхронизации.

Структурная схема устройства связи с повышенной помехозащищенностью и высокой скоростью передачи информации на Фиг.2 содержит в передающей части буферное устройство 1, генератор 2 СШП импульсов; в приемо-передающей части: переключатель 3 прием/передача, полосовой фильтр 4 и антенну 5; в приемной части: малошумящий усилитель 6, аттенюатор 7, вейвлет-фильтр 8, устройство 9 временного окна канала сигнала, пороговое устройство 10 канала сигнала, буферное устройство 11 канала сигнала, формирователь 12 порогового напряжения канала сигнала, устройство 13 временного окна канала шума, пороговое устройство 14 канала шума, буферное устройство 15 канала шума, формирователь 16 порогового напряжения канала шума, блок 17 обработки и управления, блок 18 синхронизации.

В заявленном изобретении на Фиг.2 приемо-передающая часть состоит из последовательно подключенных антенны 5, полосового фильтра 4, переключателя 3 прием/передача, управляющий вход которого соединен с шиной (m) блока 17 обработки и управления.

Передающая часть содержит последовательно соединенные буферное устройство 1 и генератор 2 СШП импульсов, выход которого подключен к входу переключателя прием/передача 3, вход буферного устройства 1 подключен к выходу (p) блока 17 обработки и управления.

Приемная часть содержит последовательно соединенные малошумящий усилитель 6, вход которого подключен к выходу переключателя 3 прием/передача, аттенюатор 7, вейвлет-фильтр 8, выход (а) которого подключен к последовательно соединенным устройству 9 временного окна сигнала, пороговому устройству 10, буферному устройству 11; выход (а) вейвлет-фильтра 8 подключен также к последовательно соединенным устройству 13 временного окна канала шума, пороговому устройству 14 канала шума и буферному устройству 15 канала шума. Выходы буферных устройств 11 и 15 каналов сигнала и шума подключены к входам (v) и (n) блока 17 обработки и управления. Выходы формирователей 12 и 16 порогового напряжения каналов сигнала и шума подключены соответственно ко вторым входам (k), (h) пороговых устройств 10 и 14. Первый выход (c) блока 18 синхронизации подключен ко второму входу (f) устройства 9 временного окна сигнала, второй выход (d) блока 18 синхронизации подключен ко второму входу (g) устройства 13 временного окна шума. Шина управления (m) блока 17 обработки управления подключена к управляющим входам формирователей 12 и 16 порогового напряжения каналов сигнала и шума, к управляющему входу вейвлет-фильтра 8, к управляющему входу блока 18 синхронизации и к управляющему входу аттенюатора 7.

Заявленное устройство работает следующим образом. Два канала приемного устройства осуществляют параллельный прием. Один канал служит для приема сигнала, второй - для оценки уровня внешних шумов. Основу каждого канала составляют чувствительное пороговое устройство 10 канала сигнала и чувствительное пороговое устройство 14 канала шума. Прием в сигнальном и шумовом каналах осуществляется в соответствующих временных интервалах (временных окнах), обеспечиваемых устройствами 9 и 13 временных окон сигнала и шума соответственно. Прием сигнала в окне, длительность которого не намного превышает длительность информационного сигнала, позволяет обеспечить повышенную помехозащищенность. Сигнал, принимаемый антенной 5 абонентской станции, после усиления малошумящим усилителем 6 подается через аттенюатор 7 на вейвлет-фильтр 8. С выхода (а) вейвлет-фильтра 8 сигнал, обработанный устройствами 9 и 13 временных окон сигнала и шума, поступает на пороговое устройство 10 канала сигнала и пороговое устройство 14 канала шума. С выхода пороговых устройств 10 и 14 через соответствующие буферные элементы 11 и 15 сигналы поступают на входы (v), (n) цифрового сигнального процессора (ЦСП) блока 17 обработки и управления. Сигнальный процессор анализирует уровень принимаемого сигнала и принимаемого шума. Микроконтроллер разрешает или запрещает работу схемы синхронизации и регулирует пороговое напряжение, подаваемое на обнаружитель в соответствие с заданным критерием обнаружения. В данной системе связи используется критерий идеального наблюдателя, при котором пороговое напряжение устанавливается равным половине максимального напряжения принимаемого импульса информативного сигнала. Для осуществления автоматической регулировки порогового напряжения производится оценка вероятности ошибки на бит принимаемого сигнала и в зависимости от результатов обработки осуществляется регулировка чувствительности приемника путем подстройки порогов в формирователях 12, 16 пороговых напряжений каналов сигнала и шума. Регулировка динамического диапазона приемника производится с помощью аттенюатора 7. По результатам анализа осуществляется также управление работой блока 18 синхронизации. Перед началом работы осуществляется калибровка приемника по внешним шумам. Основные задачи калибровки - установка опорных напряжений подаваемых на пороговые устройства сигнального и шумового каналов. После анализа помеховой обстановки устанавливаются коды порогового напряжения для порогового устройства 10 и 14. Калибровка осуществляется после включения питания приемника и после потери сигнала в рабочем режиме. После завершения калибровки приемник переходит в режим поиска сигнала. Поиск сигнала - это режим, обеспечивающий вхождение в синхронизм приемника и передатчика системы связи. Передатчик излучает специальный сигнал, который служит для установления соединения между ним и приемником. В этом режиме производится поиск сигнальным окном приемника сигнала передатчика абонента. Принятый сигнал устанавливается по центру окна. Процедура поиска сигнала осуществляется системой синхронизации и так же, как и калибровка, производится после включения питания приемника и после потери сигнала в рабочем режиме. При включенном режиме "передача" информационный сигнал в виде импульсной последовательности нулей и единиц, соответствующей служебным данным, а также иной аудио- и видео- информации подается на ввод "Вх/Вых" блока 17 обработки и управления. В режиме "передача" с выхода генератора 2 СШП импульсов через переключатель 3 прием/передача подключается к антенне 5 и передатчик излучает в свободное пространство СШП сигнал 202, изображенный на Фиг.3, состоящий из закодированного импульсного сверхширокополосного сигнала без несущей (биполярные видеоимпульсы в виде формы первой производной функции Гаусса, а на практике - в виде одного периода синусоиды). Код передачи соответствует адресу абонента, а код приема соответствует собственному адресу передающего устройства. Процесс передачи повторяется еще один раз и затем в запрашивающем приемо-передающем устройстве блок 17 обработки и управления коммутирует переключатель 3 прием/передача в состояние "прием", то есть антенна 5 через широкополосный фильтр 4 подключается к входу малошумящего усилителя 6. Блок 17 обработки и управления устанавливает код приема в блоке 18 синхронизации и код в формирователе 12 порогового напряжения сигнала. Выход (с) блока 18 синхронизации стробирует устройство 9 временного окна канала сигнала. Выход (d) блока 18 синхронизации стробирует устройство 13 временного окна канала шума. При попадании принятого и усиленного импульса СШП сигнала во временное окно устройства 9 канала сигнала пороговое устройство 10 срабатывает и пропускает сигнал 208 через буферное устройство 11 на вход (v) блока 17 обработки и управления. В режиме "прием" суммарный сверхширокополосный сигнал, состоящий из смеси атмосферного шума, сосредоточенных по спектру и времени помех и сверхширокополосного информативного сигнала, поступает на вход приемной антенны 5, при этом форма импульсов сверхширокополосного информативного сигнала после прохождения через передающую антенну, эфир и приемную антенну изменяется и становится в первом приближении пропорциональным второй производной функции Гаусса. В дальнейшем усиленный малошумящим усилителем 6 сигнал проходит через управляемый аттенюатор 7, которым из блока 17 обработки и управления осуществляется регулировка динамического диапазона приемника. Сигнал 204 с выхода аттенюатора 7 поступает на вейвлет-фильтр 8. Форма сигнала 204 (SNR_in=0 dB) на входе вейвлет-фильтра 8 показана на Фиг.4, из рассмотрения которой следует, что выделение полезного сигнала из смеси сигнала и шума любым пороговым устройством в данном случае невозможно, так как уровень полезного сигнала не превышает уровень шума. Энергетический спектр сигнала 204 показан на Фиг.5, где можно видеть маскирование спектральных составляющих полезного сигнала шумом. С помощью вейвлет-фильтра 8, настроенного на среднюю частоту информативного сигнала, кодированная составляющая сигнала 206 (SNR_in=10 dB) выделяется и регистрируется пороговым устройством 10 на фоне значительно уменьшенного сигнала шума, который также регистрируется во временном окне устройства 13 канала шума. С выхода пороговых устройств 10 и 14 через соответствующие буферные элементы 11 и 15 сигналы поступают на входы (v), (n) цифрового сигнального процессора (ЦСП) блока 17 обработки и управления. Сигнальный процессор анализирует принимаемый сигнал и принимаемые шумы. Выделенный информативный сигнал 208 через буферное устройство 11 поступает на вход (v) блока 17 обработки и управления. В качестве вейвлет-фильтра 8 применяется интегральная схема, состоящая из сверхбыстродействующих аналого-цифрового преобразователя (АЦП), цифрового сигнального процессора (ЦСП) и цифроаналогового преобразователя (ЦАП).

Временная диаграмма сигнала 206 на выходе (а) вейвлет-фильтра 8 (при разложении в базисе MHAT-вейвлета) приведена на Фиг.6. Результатом вейвлет-преобразования одномерного сигнала 204 является двумерный массив амплитуд - значений вейвлет-коэффициентов С(a, b). Распределение этих значений в пространстве (a, b) (временной масштаб, временная локализация) дает информацию об изменении относительного вклада вейвлетных компонент разного масштаба во времени и называется спектром коэффициентов вейвлет-преобразования или масштабно-временным (частотно-временным) спектром. График, поясняющий суть вейвлет- преобразований сигнала 204 показан на Фиг.7 и представляет собой поверхность в трехмерном пространстве. По сечениям сдвига "b" вейвлет-спектр отражает компонентный состав сигнала в каждый текущий момент времени. По смыслу преобразования как скалярного произведения сигнала с вейвлетом ясно, что значения коэффициентов в каждой текущей временной точке по масштабным сечениям "a" тем больше, чем сильнее корреляция между вейвлетом данного масштаба и поведением сигнала в окрестностях этой точки. Соответственно масштабные сечения демонстрируют изменения в сигнале компонент данного масштаба со временем. Реализация такой компоненты для а=4 приведена в качестве сигнала 206 на Фиг.6 и выбрана в качестве выходного сигнала вейвлет-фильтра в случае MHAT-разложения. Выбор анализирующего вида вейвлета при использовании фильтра определяется с учетом характерных особенностей данного вейвлета и известной формы сигнала, несущего информацию. Такая фильтрация незаменима в том случае, когда надо выявить особенности информационного сигнала, которые незаметны в присутствии сильных шумов на входе приемного устройства. Как было отмечено выше, в заявленном устройстве связи информационный сигнал представляет собой закодированную импульсную последовательность одиночных периодов синусоид, модулированных побитно. Форма переданных импульсов на приемной стороне в близком приближении может быть аппроксимирована второй производной функции Гаусса и соответствует MHAT-вейвлету. Уравнение вейвлета:

.

Вейвлет симметричен, спектр вейвлета представлен только действительной частью и хорошо локализован по частоте, нулевой и первый моменты вейвлета равны нулю. Импульсная полезная составляющая сигнала 204 на входе вейвлет-фильтра 8 содержит последовательность импульсов, близких по форме второй производной импульса Гаусса. Такая последовательность легко может быть выделена фильтром на основе МНАТ-вейвлета при соответствующем подборе параметра "a" (сигнал 206). Соотношение сигнал/шум, равное 3/1 (≈10dB), получено для реализации вейвлет-коэффициента с параметром "а", равным 4.

При проведении исследований было выявлено, что выбор вида функции вейвлета для применяемого вейвлет-фильтра 8 является довольно критичным, и исследован второй вариант вейвлет-фильтра. На Фиг.8 проиллюстрирован процесс вейвлет-декомпозиции сигнала 204 с помощью ортогонального вейвлета Добеши, применяемого в качестве вейвлет-фильтра 8 (второй вариант). Выделение вейвлет-коэффициента C^<8> (Фиг.8) из разложения сигнала 204 (одинакового в первом и во втором случае) позволяет в процессе фильтрации получить полезный сигнал 206 с соотношением сигнал/шум, равным 1,8/1, что хуже, чем в первом случае (для MHAT-вейвлета). Это доказывает прежде всего тот факт, что выбор вида вейвлета при фильтрации из зашумленного сигнала полезного информационного сигнала имеет значение и зависит от формы выделяемого сигнала, хотя положительный эффект от применения вейвлет-фильтра в заявляемом устройстве достигается и в первом и во втором случае.

Осуществление изобретения

Цифровой фильтр реализуется на сверхбыстродействующем устройстве цифровой обработки сигналов, содержащем цифровой сигнальный процессор, преобразующем входной дискретный информационный сигнал в выходной дискретный информационный сигнал, включенный в цепь: АЦП → цифровой сигнальный процессор → ЦАП. На практике значения коэффициентов вейвлет-преобразования в цифровом процессоре сигналов определяются с помощью быстрых алгоритмов вычисления вейвлет-коэффициентов ортогонального вейвлет-преобразования, которые каскадами повторяют дискретные свертки и осуществляют неполную выборку сигнала на выходе [12. Малла С. Вейвлеты в обработке сигналов: Пер. с англ. - М.: Мир, 2005. - сс.276 - 303]. Реализация остальных блоков заявляемого устройства не вызывает затруднений, так как описание их подробно опубликовано в технической литературе.

В результате применения MHAT вейвлет-фильтра в приемном устройстве заявленной системы связи получен положительный эффект: повышение помехозащищенности устройства при приеме импульсного СШП сигнала минимум на 10 dB в условиях воздействия шумов и помех, что позволяет вести уверенный обмен информацией в условиях, когда полезный сигнал на входе приемника системы связи не превышает уровень шумов.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к скоростным с повышенной помехозащищенностью системам радиосвязи, использующим сверхкороткие импульсные сверхширокополосные (СШП) сигналы. Достигаемый технический результат - увеличение на ˜10 dB помехозащищенности СШП приемного устройства. Технический результат достигается за счет выделения из принимаемого сигнала полезного сигнала в виде второй производной функции Гаусса. Выделение производится с помощью МНАТ вейвлет-фильтра. Параметры и вейвлет-коэффициент вейвлет-фильтра подбираются в зависимости от формы полезного сигнала. Устройство содержит в передающей части генератор СШП импульсов (2), буферное устройство (1); в приемопередающей части - переключатель прием/передача (3), полосовой фильтр (4), антенну (5); в приемной части - малошумящий усилитель (6), аттенюатор (7), вейвлет-фильтр (8), канал сигнала, содержащий устройство временного окна (9), пороговое устройство (10), буферное устройство (11), формирователь порогового напряжения (12), канал шума, содержащий устройство временного окна (13), пороговое устройство (14), буферное устройство (15), формирователь порогового напряжения (16), а также блок обработки и управления (17), блок синхронизации (18). 8 ил.

Устройство связи с повышенной помехозащищенностью и высокой скоростью передачи информации, содержащее в приемопередающей части последовательно соединенные переключатель прием/передача, полосовой фильтр и антенну, управляющий вход переключателя прием/передача присоединен к шине блока обработки и управления; в передающей части последовательно соединенные буферное устройство, генератор сверхширокополосных импульсов, выход которого подключен к сигнальному входу переключателя прием/передача, а вход буферного устройства подключен к первому выходу блока обработки и управления; в приемной части последовательно соединенные малошумящий усилитель, вход которого подключен выходу переключателя прием/передача, аттенюатор, канал сигнала, состоящий из последовательно соединенных устройства временного окна канала сигнала, порогового устройства, буферного устройства; канал шума, состоящий из последовательно соединенных устройства временного окна канала шума, порогового устройства и буферного устройства; выходы буферных устройств каналов сигнала и шума подключены к первому и второму входам блока обработки и управления; выходы формирователей порогового напряжения каналов сигнала и шума подключены соответственно ко вторым входам пороговых устройств каналов сигнала и шума; первый выход блока синхронизации подключен ко второму входу устройства временного окна канала сигнала, второй выход блока синхронизации подключен ко второму входу устройства временного окна канала шума; управляющая шина блока обработки и управления подключена к входам формирователей порогового напряжения каналов сигнала и шума, к управляющему входу блока синхронизации и к управляющему входу аттенюатора, отличающееся тем, что в приемной части для выделения полезного сигнала в виде второй производной функции Гаусса используется МНАТ вейвлет-фильтр с параметрами и вейвлет-коэффициентом, зависящими от формы информативного полезного сигнала, вход вейвлет-фильтра подключен к выходу аттенюатора, выход вейвлет-фильтра подключен к каналу сигнала и к каналу шума.