ГЕНЕРАТОР ДИСКРЕТНЫХ ОРТОГОНАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 2012 года по МПК G06F1/25 

Изобретение относится к области электросвязи, в частности к генераторам ортогональных сигналов, и может быть использовано для создания генераторного оборудования многоканальных систем и сетей связи.

Известен генератор дискретных ортогональных сигналов, содержащий тактовый генератор, блок формирования функций Уолша, формирователь импульсов, триггер, два ключа, сумматор, 2ⁿ умножителей первой группы, 2ⁿ умножителей второй группы, 2ⁿ инверторов, 2^n-1 - разрядный циклический регистр сдвига и управляемый инвертор (патент №2022332 на изобретение «Генератор дискретных ортогональных сигналов» от 08.07.1991, опубликован в бюллетене №20 от 30.10.1994).

Однако сигналы, формируемые этим генератором, описываемые последовательностями модифицированного кода Рида-Мюллера, имеют большие по величине выбросы амплитудно-частотных спектров, что свидетельствует о плохой равномерности спектральной плотности, приводящей к низкой энергетической скрытности формируемых сигналов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является генератор функций, содержащий задающий генератор, блок формирования функций Уолша, элемент односторонней проводимости, двухразрядный регистр сдвига, двухвходовый коммутатор, умножитель, 2ⁿ умножителей группы, где 2ⁿ - число выходов блока формирования функций Уолша, причем выход задающего генератора соединен с тактовым входом блока формирования функций Уолша, выход задающего генератора соединен с тактовым входом двухразрядного регистра сдвига, второй выход блока формирования функций Уолша подключен ко входу элемента односторонней проводимости, выход элемента односторонней проводимости соединен с информационным входом двухразрядного регистра сдвига, выход которого подключен к управляющему входу двухвходового коммутатора, первый информационный вход которого соединен с (2^n-1-2)-м выходом блока формирования функций Уолша, второй информационный вход двухвходового коммутатора соединен с (2^n-1+1)-м выходом блока формирования функций Уолша, выход двухвходового коммутатора подключен к первому входу умножителя, второй вход которого подключен ко второму выходу блока формирования функций Уолша, выход умножителя соединен с первыми входами всех умножителей группы, вторые входы i-x умножителей группы, где - порядковые номера умножителей, подключены к 1-м выходам блока формирования функций Уолша, а выходы умножителей группы являются выходами генератора (патент №2277718 на изобретение «Генератор функций» от 25.11.2004, опубликован в бюллетене №16 от 10.06.2006).

Однако сигналы, формируемые этим генератором, имеют большие по величине выбросы амплитудно-частотных спектров, что свидетельствует о плохой равномерности спектральной плотности, приводящей к низкой энергетической скрытности формируемых сигналов.

Целью изобретения является повышение энергетической скрытности сигналов, формируемых генератором.

Поставленная цель достигается тем, что в известный генератор, содержащий задающий генератор, блок формирования функций Уолша, элемент односторонней проводимости, двухвходовый коммутатор, 2ⁿ умножителей группы, где 2ⁿ - число выходов блока формирования функций Уолша, причем выход задающего генератора соединен с тактовым входом блока формирования функций Уолша, вторые входы i-x умножителей группы, где - порядковые номера умножителей, подключены к i-м выходам блока формирования функций Уолша, а выходы умножителей группы являются выходами генератора, введены четырехразрядный циклический регистр сдвига и управляемый инвертор, причем 2^n-l выход блока формирования функций Уолша подключен к входу элемента односторонней проводимости, выход элемента односторонней проводимости соединен с тактовым входом четырехразрядного циклического регистра сдвига и управляющим входом двухвходового коммутатора, первый информационный вход двухвходового коммутатора соединен с 2^n-l-м выходом блока формирования функций Уолша, второй информационный вход двухвходового коммутатора соединен с (2^n-1+n)-м выходом блока формирования функций Уолша, выход двухвходового коммутатора подключен к информационному входу управляемого инвертора, управляющий вход которого подключен к выходу старшего разряда четырехразрядного циклического регистра сдвига, выход управляемого инвертора соединен с первыми входами всех умножителей группы.

На фиг.1 представлена структурная схема генератора дискретных ортогональных сигналов, на фиг.2 - временные диаграммы, иллюстрирующие процесс формирования дискретного ортогонального сигнала A (12, θ) в предлагаемом генераторе, на фиг.3 - вид дискретных ортогональных сигналов на выходах аналога, на фиг.4 - вид дискретных ортогональных сигналов на выходах прототипа, на фиг.5 - вид дискретных ортогональных сигналов на выходах предлагаемого генератора, на фиг.6 - амплитудно-частотные спектры сигналов, формируемых аналогом, на фиг.7 - амплитудно-частотные спектры сигналов, формируемых прототипом, на фиг.8 - амплитудно-частотные спектры сигналов, формируемых предлагаемым генератором дискретных ортогональных сигналов.

Генератор функций содержит задающий генератор 1, блок 2 формирования функций Уолша, элемент 3 односторонней проводимости, четырехразрядный циклический регистр 4 сдвига, двухвходовый коммутатор 5, управляемый инвертор 6, умножители 7 группы.

Генератор функций работает следующим образом.

Перед началом работы генератора в четвертом разряде (старшем разряде) четырехразрядного циклического регистра 4 сдвига записана единица.

С началом поступления импульсов с выхода задающего генератора 1 на тактовый вход блока 2 формирования функций Уолша (фиг.2, а) на его выходах формируются функции Уолша, поступающие на вторые входы соответствующих умножителей 7 группы. Функция Уолша Wal (2^n-1-1, θ), формируемая на 2^n-1-м выходе блока 2, (для случая 2ⁿ=16 это будет функция Wal (7, θ)), (фиг.2, б) подается на вход элемента 3 односторонней проводимости, в качестве которого может использоваться обычный диод, с выхода которого на тактовый вход четырехразрядного циклического регистра 4 сдвига поступает только положительная часть функции Уолша Wal (2^n-1-1, θ) (фиг.2, в).

В связи с тем, что в четвертом разряде четырехразрядного регистра 4 сдвига (который является циклическим, то есть замкнут в кольцо цепью обратной связи, как и в аналоге - патент №2022332 на изобретение «Генератор дискретных ортогональных сигналов» от 08.07.1991, опубликован в бюллетене №20 от 30.10.1994) в исходном состоянии была записана единица, с поступлением первого импульса с выхода элемента 3 односторонней проводимости на тактовый вход четырехразрядного регистра 4 сдвига она перемещается в первый разряд регистра 4 сдвига. С поступлением второго импульса единица смещается во второй разряд, с поступлением третьего импульса - в третий разряд, с поступлением четвертого импульса - в четвертый разряд.

Состояние выхода старшего разряда четырехразрядного регистра 4 сдвига показано на фиг.2, г.

Последовательность единиц и нулей с выхода регистра 4 сдвига поступает на управляющий вход управляемого инвертора 6.

Последовательность единиц и нулей с выхода элемента 3 односторонней проводимости поступает также на управляющий вход двухвходового коммутатора 5, устроенного таким образом, что при поступлении на управляющий вход «1» на выходе коммутатора 5 появляется информация, поступающая на его первый вход, а при поступлении на управляющий вход «0» на выходе коммутатора 5 появляется информация, поступающая на его второй вход.

На первый вход коммутатора 5 поступает сигнал Уолша Wal (7, θ), а на второй - сигнал Уолша Wal (11, θ).

Таким образом, вид сигнала на выходе коммутатора 5 (фиг.2, е) определяется видом сигнала Уолша Wal (7, θ) (фиг.2, б) и видом сигнала Уолша Wal (11, θ) (фиг.2, д), а также значением управляющего сигнала с выхода элемента 3 односторонней проводимости (фиг.2, в).

Сигнал с выхода коммутатора 5 (фиг 2, е) поступает на информационный вход управляемого инвертора 6, на управляющий вход которого подается сигнал с выхода регистра 4 сдвига (фиг.2, г), в результате чего на выходе управляемого инвертора 6 появляется сигнал (фиг.2, ж), поступающий на первые входы всех умножителей 7 группы.

Поскольку на вторые входы умножителей 7 группы подаются соответствующие сигналы Уолша Wal (i, θ), на их выходах формируются дискретные ортогональные сигналы A (i, θ), имеющие структуру, отличающуюся от структуры функций Уолша Wal (i, θ), от структуры сигналов R (i, θ), формируемых аналогом, и от структуры сигналов V (i, θ), формируемых прототипом.

На фиг.2 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие процесс формирования выходного сигнала А (12, θ) в предлагаемом генераторе для случая 2ⁿ=16.

На диаграммах показано временное состояние:

а) выхода задающего генератора 1;

б) восьмого выхода блока 2 формирования функций Уолша, на котором формируется функция Wal (7, θ);

в) выхода элемента 3 односторонней проводимости;

г) выхода четырехразрядного циклического регистра 4 сдвига;

д) двенадцатого выхода блока 2 формирования функций Уолша, на котором формируется функция Wal (11, θ);

е) выхода коммутатора 5;

ж) выхода управляемого инвертора 6;

з) тринадцатого выхода блока 2 функций Уолша, на котором формируется функция Wal (12, θ);

и) выхода тринадцатого умножителя 7 группы, на котором формируется дискретный ортогональный сигнал A (12, θ).

На фиг.3 приведены временные диаграммы последовательностей кода Рида-Мюллера R (i, θ), формируемых аналогом. На фиг.4 приведены временные диаграммы дискретных ортогональных функций V (i, θ), формируемых прототипом. На фиг.5 приведены временные диаграммы дискретных ортогональных функций A (i, θ), формируемых предлагаемым генератором.

В ортогональности сигналов, формируемых предлагаемым генератором, можно убедиться путем перемножения любых формируемых дискретных ортогональных сигналов и интегрирования результата за время, равное периоду функций.

Как известно, энергетическая скрытность сигналов характеризует способность противостоять мерам, направленным на обнаружение выходных сигналов разведывательным приемным устройством (см. Тузов Г.И., Сивов В.А. Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами / Под ред. Тузова Г.И. - М.: Радио и связь, 1985, с.9).

Для повышения энергетической скрытности необходимо стремиться к тому, чтобы выходные сигналы, формируемые генератором, используемым в системе связи, имели равномерную спектральную плотность (см. Тузов Г.И., Сивов В.А. Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами / Под ред. Г.И.Тузова. - М.: Радио и связь, 1985, с.21, рис.2.2).

Спектральная плотность является важнейшей характеристикой сигнала и представляет собой преобразование Фурье от его временного представления S(t):

В общем случае G_(f) является комплексной величиной и может быть записана в виде:

где

- действительная и мнимая части спектральной плотности G_(f),

- модуль и аргумент спектральной плотности G_(f).

Обычно называют амплитудно-частотным спектром сигнала S(t) и по его виду определяют равномерность спектральной плотности (см. Смирнов Н.И., Горгадзе С.Ф. Проектирование микроэлектронных устройств обработки шумоподобных сигналов. Часть 2. Спектральные свойства ШПС. - М.: Министерство связи СССР, 1989, с.4-5).

Выигрыш в энергетической скрытности сигналов удобно определять по отношению значений наибольших выбросов амплитудно-частотных спектров сравниваемых сигналов:

где - значение наибольшего выброса амплитудно-частотного спектра сигнала A(t), - значение наибольшего выброса амплитудно-частотного спектра сигнала B(t) (см. Смирнов Н.И., Горгадзе С.Ф. Проектирование микроэлектронных устройств обработки шумоподобных сигналов. Часть 2. Спектральные свойства ШПС. - М.: Министерство связи СССР, 1989, с.13).

С использованием ЭЦВМ были синтезированы сигналы A (i, θ), обладающие значительной энергетической скрытностью по сравнению с сигналами Уолша Wal (i, θ), сигналами R (i, θ), описываемыми последовательностями модифицированного кода Рида-Мюллера, формируемыми аналогом, и дискретными ортогональными сигналами V (i, θ), формируемыми прототипом, при равных длительностях и энергиях.

Для выходных сигналов, формируемых аналогом, прототипом и предлагаемым генератором, были рассчитаны наибольшие выбросы амплитудно-частотных спектров в соответствии с соотношением (5).

Результаты расчета для варианта 2ⁿ=16 представлены в таблицах 1, 2 и 3.

Таблица 1
Наибольшие выбросы амплитудно-частотных спектров сигналов R (i, θ), описываемых последовательностями модифицированного кода Рида-Мюллера, формируемых аналогом Номер сигнала, К 0 1 2 3 4 5 6 7 Значение наибольшего выброса                 0,38 0,35 0,32 0,41 0,32 0,50 0,45 0,48                 Номер сигнала, К 8 9 10 11 12 13 14 15 Значение наибольшего выброса                 0,46 0,38 0,44 0,46 0,43 0,48 0,46 0,42                

Таблица 2
Наибольшие выбросы амплитудно-частотных спектров дискретных ортогональных сигналов V (i, θ), формируемых прототипом Номер сигнала, К 0 1 2 3 4 5 6 7 Значение наибольшего выброса                 0,31 0,35 0,38 0,36 0,50 0,44 0,39 0,42                 Номер сигнала, К 8 9 10 11 12 13 14 15 Значение наибольшего выброса                 0,33 0,5 0,41 0,33 0,39 0,39 0,39 0,36                

Таблица 3
Наибольшие выбросы амплитудно-частотных спектров дискретных ортогональных сигналов A (i, θ), формируемых предлагаемым генератором Номер сигнала, К 0 1 2 3 4 5 6 7 Значение наибольшего выброса                 0,32 0,31 0,32 0,33 0,32 0,31 0,33 0,31                 Номер сигнала, К 8 9 10 11 12 13 14 15 Значение наибольшего выброса                 0,33 0,34 0,32 0,34 0,32 0,34 0,32 0,32                

Для наглядности на фиг.6 приведены графики амплитудно-частотных спектров выходных сигналов R (0, θ), R (3, θ), R (5, θ), R (9, θ), R (13, θ), формируемых аналогом. На фиг.7 представлены графики амплитудно-частотных спектров выходных сигналов V (0, θ), V (3, θ), V (9, θ), V (12, θ), V (15, θ), формируемых прототипом. На фиг.8 представлены графики амплитудно-частотных спектров выходных сигналов А (6, θ), А (7, θ), A (11, θ), A (13, θ), A (14, θ), формируемых предлагаемым генератором. При этом ω=2πf.

Из таблиц 1, 2 и 3, а также фиг.6, 7 и 8 видно, что сигналы, формируемые предлагаемым генератором, обладают лучшей равномерностью спектральной плотностью, чем выходные сигналы, формируемые аналогом и прототипом, что обеспечивает повышенную энергетическую скрытность.

Поскольку наибольший выброс амплитудно-частотных спектров сигналов, формируемых аналогом , наибольший выброс амплитудно-частотных спектров сигналов, формируемых прототипом , а наибольший выброс амплитудно-частотных спектров сигналов, формируемых предлагаемым генератором , то в соответствии с соотношением (7) выигрыш в энергетической скрытности составляет:

Как показывают расчеты, при 2ⁿ≥16 выигрыш в энергетической скрытности составляет не менее 1,47.

Использование изобретения позволяет создавать генераторы дискретных ортогональных сигналов, обеспечивающие значительное повышение энергетической скрытности формируемых сигналов.

Изобретение относится к области электросвязи, в частности к генераторам ортогональных сигналов, и может быть использовано для создания генераторного оборудования многоканальных систем и сетей связи. Технический результат - повышение энергетической скрытности сигналов, формируемых генератором. Генератор дискретных ортогональных сигналов, содержит задающий генератор, блок формирования функций Уолша, элемент односторонней проводимости, четырехразрядный циклический регистр сдвига, двухвходовый коммутатор, управляемый инвертор и 2ⁿ умножителей группы. 8 ил., 3 табл.

Генератор дискретных ортогональных сигналов, содержащий задающий генератор, блок формирования функций Уолша, элемент односторонней проводимости, двухвходовый коммутатор, 2ⁿ умножителей группы, где 2ⁿ - число выходов блока формирования функций Уолша, причем выход задающего генератора соединен с тактовым входом блока формирования функций Уолша, вторые входы i-x умножителей группы, где - порядковые номера умножителей, подключены к i-м выходам блока формирования функций Уолша, а выходы умножителей группы являются выходами генератора, отличающийся тем, что, с целью повышения энергетической скрытности сигналов, формируемых генератором, в него введены четырехразрядный циклический регистр сдвига и управляемый инвертор, причем 2^n-1 выход блока формирования функций Уолша подключен к входу элемента односторонней проводимости, выход элемента односторонней проводимости соединен с тактовым входом четырехразрядного циклического регистра сдвига и управляющим входом двухвходового коммутатора, первый информационный вход двухвходового коммутатора соединен с 2^n-1-м выходом блока формирования функций Уолша, второй информационный вход двухвходового коммутатора соединен с (2^n-1+n)-м выходом блока формирования функций Уолша, выход двухвходового коммутатора подключен к информационному входу управляемого инвертора, управляющий вход которого подключен к выходу старшего разряда четырехразрядного циклического регистра сдвига, выход управляемого инвертора соединен с первыми входами всех умножителей группы.