АСИНХРОННЫЙ СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ЗАКОДИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИИ, ПЕРЕДАВАЕМОЙ ПОТРЕБИТЕЛЮ С ПОМОЩЬЮ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2011 года по МПК H04B7/00 

Изобретение относится к теории информации и предназначено для выделения последовательностей логических нулей либо единиц в процессе декодировании информации из последовательности сверхширокополосных (СШП) гауссовых импульсов без синхронизации приемника и передатчика.

Известен способ выделения закодированной информации для СШП систем скрытой связи с высокой скоростью передачи данных [1]. Способ заключается в том, что с помощью источника передачи сообщений (объект X) из первой точки пространства излучают в свободное пространство синхронизирующий сверхширокополосный сигнал (ССШПС), который формируют из последовательности сверхширокополосных импульсов (СШПИ) наносекундной длительностью τ и периодом следования Т, параметры ССШПС известны во второй точке пространства на пункте приема сообщений (объект Y), объектом Y во второй точке пространства осуществляют прием ССШПС. Во временном интервале (временном окне) длительностью τ≤Δt≤T-τ объект Y осуществляет обнаружение СШПИ. Временное окно формируют через интервал времени t_k=T+kΔt, где k является последовательностью целых чисел 1, 2, 3 …. После обнаружения СШПИ относительно начала временного окна определяют положение максимума СШПИ. Момент времени t_смещ, соответствующий этому положению, используют для определения момента времени начала синхронизации

после этого последующие временные окна формируют относительно t_нач с периодом T, t_смещ используется со знаком минус при обнаружении СШПИ в первой половине временного окна, а со знаком плюс при обнаружении СШПИ во второй половине временного окна. В результате каждый последующий СШПИ ССШПС будет находиться по центру временного окна. После установления факта наличия СШПИ во временном окне объектом Y в свободное пространство излучается ССШПС, сигнализирующий о готовности к синхронному приему объекта Y, параметры которого известны объекту X, объектом Х осуществляется прием излученного объектом Y ССШПС, после чего объект Х начинает излучать в свободное пространство информационный сверхширокополосный сигнал (ИСШПС). Информационный сверхширокополосный сигнал формируют из кодовой последовательности СШПИ. При этом кодирование логической «единицы» осуществляется передачей СШПИ относительно начала каждого периода в момент времени Т+Δt₁, а кодирование логического «нуля» - в момент времени Т-Δt₁, параметры ИСШПС должны быть известны объекту Y. При этом в каждом из временных интервалов T передается СШПИ, соответствующий логической «единице» либо «нулю».

Во второй точке пространства объектом Y осуществляют прием ИСШПС. Во временном окне длительностью Δt, обеспечивающем прием одного СШПИ, осуществляют обнаружение СШПИ ИСШПС, при этом центр формируемого объектом Y временного окна соответствует моментам времени, равным t_нач+Tk, относительно которого осуществлялось кодирование логического нуля либо единицы. Затем ИСШПС усиливают и передают через делитель в два параллельных канала. Один из каналов, именуемый сигнальным каналом, используют для выделения полезной информации, а дополнительный канал используют для оценки уровня внешних шумов и сигналов, переотраженных от препятствий. Определяют среднее значение U_ср сигнала в дополнительном канале. Выбирают пороговое значение U_пор сигнала выше U_ср на величину, обеспечивающую требуемую вероятность ошибки на бит информации, сравнивают уровень сигналов в сигнальном канале с уровнем порога U_пор. При превышении сигналом порогового уровня U_пор принимают решение о наличии СШПИ ИСШПС и определяют положение его максимума, относительно центра временного окна. Принимают решение о наличии в данный момент времени логического «нуля» либо «единицы». В результате из совокупности логических нулей и единиц составляют цифровую последовательность, которую используют для выделения закодированной информации.

При отсутствии СШПИ ИСШПС во временном окне (из-за смещения окна вследствие нестабильности работы системы синхронизации) объектом Y прием прекращается, и осуществляется повторное вхождение в синхронную работу с объектом X.

Сущность синхронизации при данном способе выделения информации заключается в том, что синхронизирующим моментом для выделения логического «нуля» или «единицы» является момент времени, соответствующий центру временного окна.

Недостатком данного способа выделения информации является неэффективное использование пропускной способности канала связи, так как приему ИСШПС предшествует прием ССШПС, его обнаружение и осуществление на этой основе синхронизации приемника и передатчика.

Известен способ выделения закодированной информации, передаваемой потребителю с помощью СШП импульсов [2]. Способ заключается в том, что с помощью источника передачи сообщений (объект X) из первой точки пространства излучают в свободное пространство сложный сигнал, состоящий из сверхширокополосного сигнала (СШПС) и гармонического сигнала. Гармонический сигнал представляет собой радиоимпульс (РИ) длительностью τ_ри, несущей частотой РИ f. Гармонический сигнал следует с периодом повторения Т_П, СШПС формируют из последовательности СШП импульсов наносекундной длительности τ и периодом следования Т_П. Несущая частота РИ f гармонического сигнала располагается в частотном диапазоне ниже полосы частот, занимаемой спектром СШПС. При этом кодирование логической «единицы» осуществляется передачей СШП импульсов относительно начала каждого периода в момент времени Т_П+Δt₁, а кодирование логического «нуля» - в момент времени Т_П-Δt₁. Во второй точке пространства осуществляют прием передаваемого сложного сигнала на пункте приема сообщений (объект Y), параметры СШПС и параметры гармонического сигнала должны быть известны объекту Y. Процесс передачи сложного сигнала объектом Х объекту Y происходит дважды.

С помощью узкополосного фильтра объекта Y выделяют принятый гармонический сигнал, а с помощью полосового фильтра выделяют СШПС.

Усиливают принятый гармонический сигнал. Определяют временное положение максимумов амплитуды гармонического сигнала.

Усиливают принятый СШПС. Передают усиленный СШПС сигнал через делитель в два параллельных канала. Один из каналов, именуемый сигнальным каналом, используют для выделения полезной информации, а дополнительный канал используют для оценки уровня внешних шумов и сигналов, переотраженных от препятствий.

Для приема СШПС в сигнальном канале формируют временные интервалы (временные окна) длительностью Δt_окна=2Δt₁+τ относительно временного положения максимумов амплитуды гармонического сигнала, при этом центры временных окон совпадают с временным положением максимумов амплитуды РИ. Определяют среднее значение U_ср сигнала в дополнительном канале, выбирают уровень порогового сигнала U_пор выше U_ср на величину, обеспечивающею требуемую вероятность ошибки на бит информации. Сравнивают уровень сигналов в сигнальном канале с уровнем порога U_пор, при превышении сигналом во временном окне порогового уровня U_пор принимают решение о наличии СШП импульса СШПС и фиксируют его временное положение, относительно центра временного окна. При появлении обнаруженного СШП импульса СШПС на Т_П+Δt₁, относительно центра временного окна или на Т_П-Δt₁ принимают решение о передаче в данный момент времени логического «нуля» либо «единицы». Из совокупности логических нулей и единиц составляют цифровую последовательность, которую используют для выделения закодированной информации. После выделения информации из СШПС объектом Y осуществляется повторный прием и выделение информации из сложного сигнала. При совпадении выделенной информации из принятого сложного сигнала в первый раз с выделенной информацией из принятого сложного сигнала во второй раз объектом Y осуществляется передача объекту Х сложного сигнала, сигнализирующего о готовности к синхронному приему информации объектом Y. После чего объектом Х осуществляется передача объекту Y СШПС, несущего полезную информацию объекту Y.

Сущность синхронизации при данном способе выделения информации заключается в том, что синхронизирующим моментом для выделения логического «нуля» или «единицы» является момент времени, соответствующий максимуму амплитуды радиоимпульса.

При данном способе выделении информации, в отличие от [1], время синхронизации приемника и передатчика существенно ниже, так как осуществляется одновременное выделения гармонического и СШПС. Однако при постановке помех в полосе частот гармонического сигнала синхронизация становится невозможной, что приводит к срыву передачи информации.

Задачей изобретения является обеспечение достоверного выделения информации при работе источника передачи сообщений и пункта приема сообщений в режиме, не требующем их синхронизации.

Под источником передачи сообщений подразумевается первый приемопередатчик, называемый в дальнейшем объектом X. Под пунктом приема сообщений подразумевается второй приемопередатчик, называемый в дальнейшем объектом Y.

Для решения поставленной задачи предлагается в известном способе [2] применить новый способ кодирования и выделения информации, при котором синхронизирующий сигнал и сама синхронизация становятся излишними.

Для этого в предлагаемом способе при кодировании информации предлагается использовать кодовую последовательность сверхширокополосных импульсов (КПСШПИ), состоящую из импульсов наносекундной длительности, каждый из которых описывается первой производной гауссовой функции. При этом последовательность СШП импульсов будет включать импульсы, следующие с постоянным периодом и называемые «опорными», а также импульсы, располагаемые между опорными и называемые «центральными». Информация о кодировании логического «нуля» либо «единицы» при таком способе кодирования будет содержаться во временном положении «центральных» импульсов относительно «опорных». Выделение информации предлагается производить в электронно-вычислительной машине (ЭВМ). При этом временные задержки импульсов друг относительно друга определяют на основе кепстральной обработки, а определенные таким образом временные задержки затем преобразовывают в последовательность логических «нулей» и «единиц». При этом отказ от синхронизации основывается на том, что для выделения информации используют взаимную временную расстановку СШП импульсов, которая не требует определения момента синхронизации, использующегося для определения начала отсчета.

Операции, отражающие сущность предлагаемого способа выделения информации, могут быть описаны следующей совокупностью последовательных действий:

1) кодирование информации при помощи СШП импульсов, описываемых гауссовой функцией, по специальному правилу для получения кодограммы;

2) излучение кодограммы из первой точки объектом X;

3) прием во второй точке пространства кодограммы объектом Y;

4) усиление и интегрирование каждого из импульсов принятой кодограммы;

5) растяжение каждого проинтегрированного импульса кодограммы;

6) оцифровка аналого-цифровым преобразователем (АЦП) каждого растянутого импульса кодограммы;

7) передача информации с АЦП в ЭВМ;

8) деление при помощи ЭВМ принятой цифровой информации на массивы данных, каждый из которых соответствует временному интервалу Δ, включающему три оцифрованных импульса одинаковой формы;

9) выделение информации на основе кепстральной обработки по специальному правилу из каждого временного интервала Δ;

10) составление из совокупности выделенных логических нулей и единиц цифровой последовательности, которую используют в качестве выделенной информации;

11) передача объектом Y запросного сигнала объекту X, свидетельствующего о готовности объекта Y к приему следующей кодограммы. Последняя операция востребована тем, что передача каждой из кодограмм, состоящих из логических «нулей» и «единиц» будет вестись до тех пор, пока от объекта Y не поступит запросный сигнал, состоящий из определенного набора логических «нулей» и «единиц», который известен объекту X. Данный сигнал будет передан объектом Y лишь после установки факта приема всей кодограммы. Установление данного факта осуществляется специальным образом.

Рассмотрим сущность каждой операции подробно.

Сущность кодирования информации заключается в использовании в качестве основных носителей информации импульсов наносекундной длительности, описываемых первой производной гауссовой функции [3]. Эти импульсы имеют следующее аналитическое описание

где А - амплитуда импульса;

a - величина, характеризующая половину длительности импульса на уровне 0,707.

Для кодирования предлагается использовать периодическую последовательность гауссовых импульсов, состоящую из расположенных в определенном порядке «опорных» и «центральных» импульсов. Опорные импульсы отличаются от «центральных» тем, что их период следования Т постоянен, а период следования «центральных» импульсов изменяется. В результате вся информация о кодировании будет заключаться во временном положении «центрального» СШП импульса относительно «опорных». При временном положении «центрального» СШП импульса правее на временной оси на 0,2T от левого «опорного» импульса или левее на временной оси на 0,8Т от правого «опорного» импульса результат кодирования соответствует логической «1», а при отличии временного положения «центрального» СШП импульса правее на временной оси на 0,3T от левого «опорного» импульса или левее на временной оси на 0,7T от правого «опорного» импульса результат кодирования соответствует логическому «0» (фиг.1). Таким образом, всю информацию о кодировании логического «0» или «1» предлагается заключить в задержках между импульсами. При данном способе кодирования информации необходимо соблюдать условие:

где T1=0,2·T, T2=0,3·T, Т3=0,7·T, T4=0,8·T - задержки между опорными и центральными импульсами; Т - период следования опорных импульсов, составляющий порядка десятки наносекунд.

Из условия (2) следует, что каждый бит информации кодируется двумя «опорными» импульсами и одним «центральным» в периоде следования всей последовательности СШП импульсов. При этом набор нескольких бит информации будет представлять собой некоторое сообщение, именуемое кодограммой, которое излучается в пространство из первой точки объектом Х и принимается во второй точке объектом Y.

После приема кодограммы объектом Y и усиления КПСШПИ (кодограммы) их предлагается проинтегрировать. Интегратор будет представлять собой пассивную RC-цепь.

После интегрирования и инвертирования будет получена последовательность однополярных сверхширокополосных импульсов, которая хранит полезную информацию во временных задержках между импульсами, а каждый из импульсов после интегрирования имеет следующее аналитическое описание

На эпюре А фиг.2, для примера, представлена часть кодограммы, состоящая из последовательности импульсов до интегрирования, а на эпюре Б фиг.2 - после интегрирования.

Интегрирование необходимо для осуществления операции растяжения импульсов и их дальнейшей оцифровки, так как при форме импульса, отличной от однополярной (эпюра А, фиг.2), импульсы не только растягиваются, но и меняют свою форму. На фиг.3, для примера, изображен результат растяжения СШП импульсов, отличающихся по форме от однополярных.

Растяжение импульсов необходимо для обеспечения процесса оцифровки сигнала аналого-цифровым преобразователем, так как при подаче на вход АЦП импульсов наносекундной длительности для достоверного восстановления их формы на выходе АЦП необходимо иметь в пределах длительности импульса достаточное количество отсчетов, которое будет определяется частотой дискретизации самого АЦП. К примеру, при подаче на вход АЦП (с частотой дискретизации 2 ГГц) импульса длительностью 1 нс, количество оцифрованных отсчетов будет равно 2, что явно недостаточно для качественного описания формы импульса. При сохранении формы и увеличении длительности импульса, к примеру в 10 раз, число оцифрованных отсчетов в пределах импульса будет равно уже 20. Экспериментальные исследования показали, что для достоверного восстановления формы сигнала, описываемого выражением (3), количество оцифрованных отчетов должно быть не менее 10.

Для растяжения СШП сигнал после интегрирования с помощью делителя с К выходами разделяется по мощности на К частей. Затем каждая из частей задерживается на время t_зk, вычисляемое по формуле

где ;

τ_ои - длительность одиночного СШП импульса после интегрирования. При этом количество линий задержки Н вычисляют по формуле

После задержки все сигналы складываются по мощности в сумматоре. Схема, реализующая процесс растяжения [4], представлена на фиг.4, где использованы следующие обозначения: блок 1 - делитель, блок 2 - блок линий задержки, блок 3 - линия задержки, блок 4 - сумматор. Под U_вх подразумевается СШП сигнал после интегрирования, под U_вых - выходной сигнал сумматора, поступающий на вход АЦП. Первая линия задержки 3 задерживает сигнал второго выхода делителя 1 на t_з1=0,25τ_ои, вторая линия задержки 3 задерживает сигнал третьего выхода делителя 1 на t_з2=0,5τ_ои, h-я линия задержки 3, где задерживает сигнал (h+1)-го выхода делителя на t_зh=0,25τ_оиh, а линия задержки 3 под номером Н задерживает сигнал с выхода делителя 1 под номером К=Н+1 на t_зh=0,25τ_оиН.

Величина К будет определяться длительностью СШП импульсов после интегрирования и необходимой длительностью СШП импульсов для АЦП. К примеру, при длительности СШП импульсов 1 нс, для получения после АЦП (с частотой дискретизации 2 ГГц) 10 отсчетов, отображающих параметры импульса, необходимо каждый импульс растянуть в пять раз. Значит, число К - есть целое положительное число, определяющее количество плеч делителя, которое определяется из неравенства

где - минимальная длительность СШП импульса, которую необходимо иметь для получения нужного числа отсчетов после аналого-цифрового преобразования данного импульса;

F_д - частота дискретизации АЦП.

В последующем растянутые СШП импульсы оцифровывают при помощи АЦП. Сверхширокополосные импульсы, становясь шире по длительности, не требуют повышения частоты дискретизации АЦП и сохраняют информацию о кодировании во временных задержках между ними (фиг.5).

Получившийся в результате набор данных, описывающий оцифрованный сигнал, поступает в ЭВМ, где по мере поступления данных с АЦП осуществляют формирование генерального массива данных D, из элементов которого формируют Z пробных массивов, где , причем число пробных массивов при этом Z вычисляют по формуле

где F_д - частота дискретизации аналого-цифрового преобразователя;

t_п3и - время поиска, затрачиваемое на обнаружение первых трех импульсов кодограммы, по специальному правилу, описанному ниже.

При этом по мере формирования каждый вновь сформированный пробный z-й массив записывается в память ЭВМ и будет включать в себя значения оцифрованной растянутой последовательности сверхширокополосных импульсов, ограниченной временным интервалом длительностью Δ, причем величину Δ, соответствующую z-му пробному интервалу Δ_z, вычисляют по формуле

где τ_ри - длительность одного оцифрованного растянутого импульса.

В результате каждый z-й пробный массив включает по N отсчетов, извлекаемых из генерального массива D, начиная с z-го элемента массива D и заканчивая (z+N-1)-м элементом массива D, где число элементов N в пробном массиве определяется по формуле

Таким образом, первый пробный массив формируют из элементов массива D с номерами с 1-го по N-й, второй пробный массив формируют из элементов массива D с номерами со 2-го по (N+1)-й, третий пробный массив формируют из элементов массива D с номерами с 3-го по (N+2)-й, a Z-й пробный массив формируют из элементов массива D с номерами с Z-го по (Z+N-1)-й (эпюра А, фиг. 6). К примеру, генеральный массив D содержит 128 элементов, а N равен 48, тогда первый пробный массив будет включать в себя элементы генерального массива D с первого по 48-й, второй пробный массив будет включать в себя элементы генерального массива D со второго по 49-й, третий пробный массив будет включать в себя элементы генерального массива D с третьего по 50-й и т.д.

После чего элементы каждого z-го пробного массива последовательно подвергают кепстральной обработке [5] по схеме, представленной на фиг.7, а именно дискретному прямому преобразованию Фурье [6] с использованием формулы

где n - номер отчета во временной области, m - номер отчета в частотной области; - значение комплексной амплитуды m-го отсчета спектра оцифрованного сигнала для z-го пробного массива, S_nz - значение амплитуды n-го по номеру отсчета, находящегося в z-м пробном массиве.

В последующем, для каждого z-го пробного массива вычисляют значение логарифма квадрата модуля каждого m-го отсчета, то есть m-го значения комплексной амплитуды спектра оцифрованного сигнала, на основании чего для каждого m-го значения z-го пробного массива находят разность по формуле

где - значение логарифма квадрата модуля m-го значения комплексной амплитуды спектра одиночного растянутого оцифрованного импульса, записанного в память электронно-вычислительной машины. После чего для результата разности для каждого z-го пробного массива последовательно вычисляют дискретное обратное преобразование Фурье [6] с использованием вектора разности по формуле

где М - число элементов в векторе разности U_z, равное N.

В результате дискретного обратного преобразования Фурье для каждого z-го пробного массива получают соответствующий z-й основной массив, состоящий из элементов .

После чего вычисляют значение модуля для каждого m-го отсчета соответствующего z-го основного массива, в результате получают z-й кепстральный массив, состоящий из элементов который представляет собой кепстр z-го пробного массива, для декодирования информации каждый кепстральный массив разбивают на пять массивов V1_z, V2_z, V3_z, V4_z, V5_z, при этом массив V1_z z-го кепстрального массива включает в себя значения кепстра с номерами от m₀ до m₁,

где f(*) - функция округления в сторону наименьшего целого числа, массив V2_z z-го кепстрального массива включает в себя значения кепстра с номерами от m₂ до m₃, где m₂=m₁+1; , массив V3_z z-го массива кепстрального включает в себя значения кепстра с номерами от m₄ до m₅, где m₄=m₃+1; , массив V4_z z-го кепстрального массива включает в себя значения кепстра с номерами от m₆ до m₇, где m₆=m₅+1; , массив V5_z z-го кепстрального массива включает в себя где значения кепстра с номерами от m₈ до m₉, где m₈=m₇+1; m₉=f(TF_д+1).

В последующем находят максимальное значение кепстра в каждом z-м кепстральном массиве, делят полученное максимальное значение кепстра на 4 и принимают результат в качестве порогового значения θ_порz для z-гo кепстрального массива, сравнивают величину θ_порz c каждым значением соответствующего z-го кепстрального массива, при превышении порога θ_порz значениями кепстра в массивах V1_z, V4_z, V5_z и отсутствии превышения порога θ_порz в массивах V2_z, V3_z или при превышении порога θ_порz значениями кепстра в массивах V2_z, V3_z, V5_z и отсутствии превышения порога θ_порz в массивах V1_z, V4_z принимают решение о наличии в z-м интервале Δ_z трех импульсов и возможности приема кодограммы.

После чего формируют G новых рабочих массивов данных из генерального массива данных D, причем число G рабочих массивов вычисляют по формуле

где t_пк - время приема кодограммы.

Номер кепстрального массива, которому соответствует наличие трех импульсов в соответствующем z-м интервале Δ_z, фиксируют как начальный Z_нач, а соответствующий z-й интервал Δ_z обозначают как начальный Δ_{z нач}, рабочие массивы формируют размерностью N, причем первый элемент первого рабочего массива имеет в массиве D номер Z_нач, второй рабочий массив составляют из последовательности элементов массива D, начиная с [Z_нач+N-1]-го элемента массива D и заканчивая [Z_нач+2N-2]-м элементом массива D, а каждый последующий g-й рабочий массив составляют из последовательности элементов массива D, начиная с [Z_нач+(g-2)TF_д+N-1]-го элемента массива D и заканчивая [Z_нач+(g-2)TF_д+2N-2]-м элементом массива D (эпюра Б, фиг.6). К примеру, генеральный массив D содержит 512 элементов, N равен 48, ТF_д равен 20, а в шестидесятом интервале Δ₆₀, включающем элементы генерального массива с шестидесятого по 107-й, набор которых соответствует шестидесятому пробному массиву, в результате кепстральной обработки принято решение о наличии трех импульсов, тогда Δ₆₀ фиксируют как Δ_60нач, а шестидесятый пробный массив принимают за первый рабочий массив, то второй рабочий массив будет включать в себя элементы генерального массива D с [60+47]-го (107-го) по [60+96-2]-й (154-й), третий рабочий массив будет включать в себя элементы генерального массива D с [60+(3-2)·20+47]-го (127-го) по [60+(3-2)·20+94]-й (174-й), четвертый рабочий массив будет включать в себя элементы генерального массива D с 147-го по 194-й и т.д.

Элементы каждого g-го рабочего массива, начиная с первого, подвергают последовательно кепстральной обработке, а именно дискретному прямому преобразованию Фурье по формуле

где - значение комплексной амплитуды m-го отсчета спектра оцифрованного сигнала для g-го рабочего массива, S_ng - значение амплитуды n-го по номеру отсчета, находящегося в g-м рабочем массиве оцифрованного сигнала. После чего для каждого g-го рабочего массива вычисляют значение логарифма квадрата модуля каждого m-го отсчета, то есть m-го значения комплексной амплитуды спектра оцифрованного сигнала, на основании чего для каждого m-го значения g-го рабочего массива находят разность вида

вычисляют дискретное обратное преобразование Фурье с использованием вектора разности по формуле

В результате дискретного обратного преобразования Фурье для каждого g-го рабочего массива получают соответствующий g-й основной массив, состоящий из элементов . После чего вычисляют значение модуля для каждого m-го отсчета соответствующего g-го основного массива, в результате получают g-й кепстральный массив, состоящий из элементов который представляет собой кепстр g-го рабочего массива.

Для декодирования информации каждый кепстральный массив разбивают на пять массивов V1_g, V2_g, V3_g, V4_g, V5_g, при этом массив V1_g g-го кепстрального массива включает в себя значения кепстра от m₀ до m₁, массив V2_g g-го кепстрального массива включает в себя значения кепстра от m₂ до m₃, массив V3_g g-го кепстрального массива включает в себя значения кепстра от m₄ до m₅, массив V4_g g-го кепстрального массива включает в себя значения кепстра от m₆ до m₇, массив V5_g g-го кепстрального массива включает в себя значения кепстра от m₈ до m₉.

В последующем находят максимальное значение кепстра в каждом g-м кепстральном массиве, делят полученное максимальное значение кепстра на 4 и принимают результат в качестве порогового значения θ_порg для g-го кепстрального массива, сравнивают величину θ_порg c каждым значением соответствующего g-го кепстрального массива. При превышении порога θ_порg значениями кепстра в массивах V1_g, V4_g, V5_g и отсутствии превышения в массивах V2_g, V3_g принимают решение о наличии в данном g-м интервале Δ_g закодированного логического нуля (фиг.14). При превышении порога θ_порg значениями кепстра в массивах V2_g, V3_g, V5_g и отсутствии превышения в массивах V1_g, V4_g принимают решение о наличии в данном g-м интервале Δ_g закодированной логической единицы (фиг.13). После чего принимают, что выделенная информация из первого кепстрального массива соответствует первому биту информации принятой кодограммы, из второго кепстрального массива второму биту информации принятой кодограммы, а из g-го кепстрального массива - g-му биту информации принятой кодограммы. В последующем создают результирующий массив, представляющий собой расшифрованную кодограмму, в его элементы записывают последовательно, начиная с первого кепстрального массива и заканчивая G-м кепстральным массивом, выделенную информацию из каждого g-го кепстрального массива, при отсутствии превышения порога θ_порg значениями кепстра в установленных массивах V1_g, V4_g, V5_g или V2_g, V3_g, V5_g, либо при наличии превышения порога θ_порg значениями кепстра в других комбинациях массивов принимают решение об окончании приема кодограммы, после чего с объекта Y на объект Х посылают запросный сигнал, свидетельствующий о готовности объекта Y к приему следующей кодограммы.

Сущность способа, а именно сущность процесса выделения информации, позволяющая исключить режим синхронизации из общего процесса передачи и приема информации, заключается в следующем.

В известных способах [1-2], при кодировании информации временным положением СШП импульсов относительно их периода следования, для выделения информации необходимо точно определить временное положение начала каждого периода, чтобы в последующем относительно его оценивать временное положение каждого СШП импульса. Для этого необходимо строго синхронизировать моменты передачи и приема сообщения, что требует высокой стабильности частоты генерирования СШП импульсов, высокой стабильности системы синхронизации приемника и использования дополнительных специальных сигналов, служащих для синхронизации моментов передачи и приема сообщения.

Для выделения информации без синхронизации моментов передачи и приема сообщения предлагается изменить способ кодирования информации, при котором информация будет заключена во взаимно временном положении дополнительно введенного СШП импульса, называемого «центральным», между периодически следующими друг за другом СШП импульсами такой же формы, называемыми «опорными». А выделение информации предлагается производить в ЭВМ, анализируя при этом принимаемое сообщение в цифровом виде. Соответственно, при кодировании информации, таким образом, вся информация будет заключена во временном положении центрального «импульса» относительно двух смежных «опорных» (фиг.1) и будет определяться соответствующими временными задержками T₁, Т₂, Т₃, T₄, T.

Однако данные временные задержки будут определять логический ноль либо единицу, лишь при обработке в ЭВМ трех импульсов, а закодированное сообщение, именуемое кодограммой, будет представлять собой КПСШПИ. Таким образом, для выделения информации из принятой объектом Y кодограммы предлагается принятую КПСШПИ делить в ЭВМ, предварительно оцифровав АЦП, на равные отрезки, каждый из которых включал бы три импульса. Однако так как время прихода КПСШПИ неизвестно, необходимо постоянно анализировать принимаемую информацию, для определения начала приема кодограммы. Стоит отметить, что длительность каждого импульса кодограммы составляет единицы наносекунд, поэтому для их оцифровки необходимы АЦП с высокой частотой дискретизации, которые достаточно дорогостоящи. Поэтому предлагается каждый импульс принимаемой кодограммы растягивать, предварительно деля КПСШПИ по мощности на k частей с помощью Y-делителей [4], а затем, задерживая каждую часть КПСШПИ на 0,25τ_ои(k-1), складывать их между собой (фиг.4) по мощности. Процесс растяжения возможен лишь для однополярных импульсов, так как при форме импульса, отличной от однополярной (эпюра А, фиг.2), импульсы не только растягиваются, но изменяется взаимное положение положительной и отрицательной части импульса относительно друг друга (фиг.3). Поэтому после приема кодограммы объектом Y и усиления КПСШПИ (кодограммы) их предлагается проинтегрировать. За счет операции интегрирования импульсы принятой кодограммы будут однополярными (эпюра Б, фиг.2), а после растяжения будут сохранять значение временных задержек друг относительно друга (фиг.5) и их можно будет оцифровать при более низкой частоте дискретизации АЦП. С выхода АЦП сигнал в виде двоичных чисел (эпюра А, фиг.6), будет поступать в ЭВМ, где определяют начало приема кодограммы, для чего растянутую КПСШПИ с выхода АЦП независимо от времени прихода, делят в ЭВМ на пробные массивы данных, каждый из которых содержит значения оцифрованной растянутой КПСШПИ с выхода АЦП ограниченной интервалами длительностью Δ (эпюра А, фиг.6). Каждый пробный массив подвергают кепстральной обработке, по схеме, представленной на фиг.7. При попадании в интервал Δ трех растянутых импульсов (эпюра А, фиг.8), после последовательной обработки каждого элемента пробного массива по схеме, представленной на фиг.7, результаты которой представлены на фиг.8, фиг.9, фиг.10, фиг.11, будет получен кепстр для данного пробного массива, который представляет собой набор данных, описывающих дискретный сигнал. А отсчеты, соответствующие максимумам дискретного сигнала, при делении значений этих отсчетов на частоту дискретизации АЦП соответствуют временным задержкам, определяющим логический ноль либо единицу (фиг.12). Для определения максимумов кепстра рассчитывают порог, а кепстральный массив разбивают на пять массивов, и сравнивают значение кепстра с порогом в каждом V1_z, V2_z, V3_z, V4_z, V5_z. Соответственно, если в интервал А попали три импульса кодограммы, то кепстральная обработка покажет превышение порога только в V1_z, V4_z, V5_z или только в V2_z, V3_z, V5_z кепстральных массивах. Таким образом определяется факт начала приема кодограммы. Затем деление принимаемого сигнала в ЭВМ меняется, как показано на эпюре Б, фиг.6. В результате каждый последующий рабочий массив данных будет содержать информацию о трех оцифрованных растянутых импульсах кодограммы. Элементы каждого рабочего массива также подвергаются кепстральной обработке, по схеме, представленной на фиг.7. Выделенная таким образом из каждого рабочего массива информация о наличии логического нуля либо единицы, будет составлять основу результирующего массива, представляющего собой расшифрованную кодограмму.

Из приведенного выше следует, что в предлагаемом способе нет необходимости оценивать временное положение каждого импульса, относительно момента времени, заданного системой синхронизации приемника.

Предложенный способ легко реализуем и не требует синхронизации моментов передачи и приема сообщения. Положительный технический эффект способа заключается в том, что отсутствует необходимость использования дополнительного гармонического сигнала для синхронизации моментов передачи и приема сообщения, а значит, постановка помехи в области частот гармонического сигнала не влияет на совместную работу источника и приемника сообщений, отсутствует система синхронизации, а следовательно, отсутствует необходимость использования специальных генераторов с высокой стабильностью частоты, усложняющих построение приемопередатчиков.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Immoreev I.J, Sudakov A.A., "Ultra-Wideband Interference Resistant System for Secure Radio Communication with High Data Rate", ICCSC'02, St. Petersburg, Russian Federation, June 2002 (аналог).

2. Патент 2315424 (РФ) Система связи с высокой скоростью передачи информации сверхширокополосными сигналами. МПК⁷ Н04В 1/69, H04L 5/26. Бондаренко В.В., Кыштымов С.Г. Заявка №2006119887/09 от 06.06.2006. Опубл. 20.01.2008 г. (прототип).

3. Иммореев И.Я. Сверхширокополосные радары: новые возможности, необычные проблемы, системные особенности // Вестник МГТУ, №4, 1998, 25-56 с.

4. Справочник по элементам полосковой техники./ Мазепова О.И., Мещанов В.П., Прохоров Н.И., Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. - М.: Связь, 1979 г., 179-195 с.

5. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Издание четвертое: Учебник для вузов. - М.: Радио и связь, 1986, - 477 с.

6. Смоленцев Н.К. Основы теории вейвлетов. Вейвлеты в MATLAB: Издание третье. - М.: Прикладная математика, 2008, - 39 с.

Изобретение относится к системам передачи информации. Достигаемый технический результат - обеспечение достоверного выделения информации при работе источника передачи сообщений и пункта приема сообщений в режиме, не требующем их синхронизации. При кодировании информации используется последовательность сверхширокополосных сигналов, включающая в себя импульсы следующие с постоянным периодом и называемые «опорными», а также импульсы, располагаемые между опорными и называемые «центральными». Информация о кодировании логического «нуля» либо «единицы» при таком способе кодирования будет содержаться во временном положении «центральных» импульсов относительно «опорных». Временные задержки импульсов друг относительно друга определяют на основе кепстральной обработки и затем преобразовывают в последовательность логических «нулей» и «единиц». 14 ил.

Асинхронный способ выделения закодированной информации, передаваемой потребителю с помощью сверхширокополосных импульсов, заключающийся в том, что с помощью источника передачи сообщений, называемого объектом X, из первой точки пространства приемопередатчиком излучают в свободное пространство последовательность сверхширокополосных импульсов, на пункте приема сообщений, называемом объектом Y, расположенном во второй точке пространства, осуществляют прием и усиление передаваемых сверхширокополосных импульсов, отличающийся тем, что для кодирования каждого бита информации используют по три сверхширокополосных импульса, причем длительность каждого импульса порядка единиц наносекунд, а форма каждого из импульсов описывается выражением

где А - амплитуда импульса; а - величина, характеризующая половину длительности импульса на уровне 0,707; t - текущее время, два сверхширокополосных импульса из трех, используемые для передачи одного бита информации, называемые опорными, имеют период следования Т порядка десятков наносекунд, а третий сверхширокополосный импульс, называемый центральным, располагают между опорными сверхширокополосными импульсами, при этом центральный импульс при кодировании логического нуля располагают на временной оси с отставанием на Т2=0,3Т относительно соответствующего ему левого опорного сверхширокополосного импульса и с опережением на Т3=0,7Т относительно соответствующего ему правого опорного сверхширокополосного импульса, а при кодировании логической единицы центральный импульс располагают на временной оси с отставанием на Т1=0,2Т относительно соответствующего ему левого опорного сверхширокополосного импульса и с опережением на Т4=0,8Т относительно соответствующего ему правого опорного сверхширокополосного импульса, при этом передаваемое закодированное сообщение, именуемое кодограммой, составляют на объекте Х из конечной последовательности логических нулей и единиц, закодированных в виде совокупности опорных сверхширокополосных импульсов с периодом следования Т и центральных сверхширокополосных импульсов, расположенных между опорными, принятую объектом Y кодограмму усиливают по мощности и подают на вход интегратора, на выходе которого получают последовательность сверхширокополосных импульсов, форма каждого из которых будет описываться выражением

с выхода интегратора сигнал подают на делитель с К выходами, который делит его по мощности на К частей, задерживая впоследствии каждую из частей на время t_зk, вычисляемое по формуле
t_зk=0,25τ_ои(k-1),
где - номер выхода делителя; τ_ои - длительность одиночного импульса кодограммы на выходе интегратора; при этом количество линий задержки H вычисляют по формуле
Н=K-1,
где K - целое положительное число, определяющее количество плеч делителя сигнала по мощности, причем величину K определяют из неравенства

где - минимальная длительность импульса, которую необходимо иметь для получения нужного числа отсчетов после аналого-цифрового преобразования данного импульса, после чего все задержанные части принятого сигнала складывают друг с другом по мощности с помощью сумматора, с выхода которого получают растянутые импульсы, которые подают на вход аналого-цифрового преобразователя, на выходе аналого-цифрового преобразователя получают оцифрованные растянутые импульсы, закон изменения амплитуды которых описывается последовательностью двоичных чисел, оцифрованные растянутые импульсы подают на вход электронно-вычислительной машины, в электронно-вычислительной машине в реальном масштабе времени по мере поступления данных с аналого-цифрового преобразователя осуществляют формирование генерального массива данных D, из элементов которого формируют Z пробных массивов, где , причем число пробных массивов Z вычисляют по формуле
Z=t_п3иF_д,
где F_д - частота дискретизации аналого-цифрового преобразователя;
t_п3и - время поиска, затрачиваемое на обнаружение первых трех импульсов кодограммы, при этом по мере формирования каждый вновь сформированный z-й пробный массив записывают в память электронно-вычислительной машины; каждый z-й пробный массив включает в себя значения оцифрованной растянутой последовательности сверхширокополосных импульсов, ограниченной временным интервалом длительностью Δ, причем величину Δ, соответствующую z-му пробному интервалу Δ_z, вычисляют по формуле
Δ=2Т-τ_ри,
где τ_ри - длительность одного оцифрованного растянутого импульса, в каждый z-й пробный массив включают по N отсчетов, извлекаемых из генерального массива D, начиная с z-го элемента массива D и заканчивая (z+N-1)-м элементом массива D, где число элементов N в пробном массиве определяют по формуле
N=Δ-F_д,
таким образом, первый пробный массив формируют из элементов массива D с номерами с 1-го по N-й, второй пробный массив формируют из элементов массива D с номерами со 2-го по (N+1)-й, третий пробный массив формируют из элементов массива D с номерами с 3-го по (N+2)-й, a Z-й пробный массив формируют из элементов массива D с номерами с Z-го по (Z+N-1)-й, элементы каждого z-го пробного массива последовательно подвергают дискретному прямому преобразованию Фурье с использованием формулы

где n - номер отсчета во временной области, m - номер отсчета в частотной области; - значение комплексной амплитуды m-го отсчета спектра оцифрованного сигнала для z-го пробного массива, S_nz - значение амплитуды n-го по номеру отсчета, находящегося в z-м пробном массиве, после чего для каждого z-го пробного массива вычисляют значение логарифма квадрата модуля каждого m-го отсчета, то есть m-го значения комплексной амплитуды спектра оцифрованного сигнала, на основании чего для каждого m-го значения z-го пробного массива находят разность вида

где - значение логарифма квадрата модуля m-го значения комплексной амплитуды спектра одиночного растянутого оцифрованного импульса, записанного в память электронно-вычислительной машины, после чего для каждого z-го пробного массива последовательно вычисляют дискретное обратное преобразование Фурье с использованием вектора разности по формуле

где М - общее число элементов в векторе разности U_z, равное N, в результате дискретного обратного преобразования Фурье для каждого z-го пробного массива получают соответствующий z-й основной массив, состоящий из элементов после чего вычисляют значение модуля для каждого m-го отсчета соответствующего z-го основного массива, в результате получают z-й кепстральный массив, состоящий из элементов который представляет собой кепстр z-го пробного массива, для декодирования информации каждый кепстральный массив разбивают на пять массивов V1_z, V2_z, V3_z, V4_z, V5_z, при этом массив V1_z z-го кепстрального массива включает в себя значения кепстра с номерами от m₀ до m₁,
где ; ;
где f(*) - функция округления в сторону наименьшего целого числа, массив V2_z z-го кепстрального массива включает в себя значения кепстра с номерами от m₂ до m₃, где m₂=m₁+1; , массив V3_z z-го массива кепстрального включает в себя значения кепстра с номерами от m₄ до m₅, где m₄=m₃+1; , массив V4_z z-го кепстрального массива включает в себя значения кепстра с номерами от m₆ до m₇, где m₆=m₅+1; , массив V5_z z-го кепстрального массива включает в себя значения кепстра с номерами от m₈ до m₉, где m₈=m₇+1; m₉=f(TF_д+1), находят максимальное значение кепстра в каждом z-м кепстральном массиве, делят полученное максимальное значение кепстра на 4 и принимают результат в качестве порогового значения θ_порz для z-го кепстрального массива, сравнивают величину θ_порz с каждым значением соответствующего z-го кепстрального массива, при превышении порога θ_порz значениями кепстра в массивах V1_z, V4_z, V5_z и отсутствии превышения порога θ_порz в массивах V2_z, V3_z или при превышении порога θ_порz значениями кепстра в массивах V2_z, V3_z, V5_z и отсутствии превышения порога θ_порz в массивах V1_z, V4_z принимают решение о наличии в z-м интервале Δ_z трех импульсов и возможности приема кодограммы, после чего формируют G новых рабочих массивов данных из генерального массива данных D, причем число G рабочих массивов вычисляют по формуле
,
где t_пк - время приема кодограммы, номер кепстрального массива, которому соответствует наличие трех импульсов в соответствующем z-м интервале Δ_z, фиксируют как начальный Z_нач, а соответствующий z-й интервал Δ_z обозначают как начальный Δ_zнач, рабочие массивы формируют размерностью N, причем первый элемент первого рабочего массива имеет в массиве D номер Z_нач, второй рабочий массив составляют из последовательности элементов массива D, начиная с [Z_нач+N-1]-го элемента массива D и заканчивая [Z_нач+2N-2]-м элементом массива D, а каждый последующий g-й рабочий массив составляют из последовательности элементов массива D, начиная с [Z_нач+(g-2)TF_д+N-1]-го элемента массива D и заканчивая [Z_нач+(g-2)TF_д+2N-2]-м элементом массива D, элементы каждого g-го рабочего массива подвергают последовательно дискретному прямому преобразованию Фурье по формуле

где - значение комплексной амплитуды m-го отсчета спектра оцифрованного сигнала для g-го рабочего массива, S_ng - значение амплитуды n-го по номеру отсчета, находящегося в g-м рабочем массиве оцифрованного сигнала, после чего для каждого g-го рабочего массива вычисляют значение логарифма квадрата модуля каждого m-го отсчета, то есть m-го значения комплексной амплитуды спектра оцифрованного сигнала, на основании чего для каждого m-го значения g-го рабочего массива находят разность вида

вычисляют дискретное обратное преобразование Фурье с использованием вектора разности по формуле

в результате дискретного обратного преобразования Фурье для каждого g-го рабочего массива получают соответствующий g-й основной массив, состоящий из элементов после чего вычисляют значение модуля для каждого m-го отсчета соответствующего g-го основного массива, в результате получают g-й кепстральный массив, состоящий из элементов который представляет собой кепстр g-го рабочего массива, для декодирования информации каждый кепстральный массив разбивают на пять массивов V1_g, V2_g, V3_g, V4_g, V5_g, при этом массив V1_g g-го кепстрального массива включает в себя значения кепстра от m₀ до m₁, массив V2_g g-го кепстрального массива включает в себя значения кепстра от m₂ до m₃, массив V3_g g-го кепстрального массива включает в себя значения кепстра от m₄ до m₅, массив V4_g g-го кепстрального массива включает в себя значения кепстра от m₆ до m₇, массив V5_g g-го кепстрального массива включает в себя значения кепстра от m₈ до m₉, находят максимальное значение кепстра в каждом g-м кепстральном массиве, делят полученное максимальное значение кепстра на 4 и принимают результат в качестве порогового значения θ_порg для g-го кепстрального массива, сравнивают величину θ_порg с каждым значением соответствующего g-го кепстрального массива, при превышении порога θ_порg значениями кепстра в массивах V1_g, V4_g, V5_g и отсутствии превышения в массивах V2_g, V3_g принимают решение о наличии в данном g-м интервале Δ_g закодированного логического нуля, при превышении порога θ_порg значениями кепстра в массивах V2_g, V3_z, V5_g и отсутствии превышения в массивах V1_g, V4_g принимают решение о наличии в данном g-м интервале Δ_g закодированной логической единицы, принимают, что выделенная информация из первого кепстрального массива соответствует первому биту информации принятой кодограммы, из второго кепстрального массива - второму биту информации принятой кодограммы, а из g-го кепстрального массива - g-му биту информации принятой кодограммы, создают результирующий массив, представляющий собой расшифрованную кодограмму, в его элементы записывают последовательно, начиная с первого кепстрального массива и заканчивая G-м кепстральным массивом, выделенную информацию из каждого g-го и кепстрального массива, при отсутствии превышения порога θ_порg значениями кепстра в установленных массивах V1_g, V4_g, V5_g или V2_g, V3_g, V5_g, либо при наличии превышения порога θ_порg значениями кепстра в других комбинациях массивов принимают решение об окончании приема кодограммы, после чего с объекта Y на объект Х посылают запросный сигнал, свидетельствующий о готовности объекта Y к приему следующей кодограммы.