СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ АМПЛИТУДНО-ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННОГО СИГНАЛА Российский патент 2014 года по МПК H04B7/00 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к способам формирования сигналов амплитудно-фазовой манипуляции, применяемым на линиях радиосвязи, которые также могут быть использованы в радиосистемах со сложными сигналами и скремблерах.

Известен способ передачи информации широкополосными псевдослучайными сигналами (Патент РФ №2422989, МПК H04B 1/10, 2006 г.), в котором на передающей стороне системы связи производят наложение на информационный сигнал основной псевдослучайной последовательности (ПСП), задаваемой генератором ПСП с минимальной длительностью импульса τ₀, причем этой ПСП модулируют несущую частоту основного передатчика f_н1, расположенную в середине выделенной полосы частот F, на приемной стороне принятый сигнал в приемнике перемножают на основную ПСП, задаваемую аналогичным генератором ПСП, детектируют синхронным детектором, обрабатывают в накопителе-интеграторе, определяют полярность принятого информационного сигнала в решающем устройстве, с выхода которого снимают информацию потребителю. В моменты времени передачи основным передатчиком блоков однополярных импульсов основной ПСП длительности ≥3τ₀ осуществляют передачу дополнительной информации, излучаемой дополнительным передатчиком, несущую частоту которого выбирают из соотношения f_н2=f_н1±1/3 F, а минимальную длительность импульса излучения дополнительного передатчика выбирают равной 3 Гц, причем излучение дополнительного передатчика осуществляют синхронно и синфазно с излучением упомянутых блоков однополярных импульсов основной ПСП. На приемной стороне прием этой информации осуществляют дополнительным приемником.

Недостатком данного способа является то, что сформированный модифицированный сигнал предусматривает синфазную и синхронную передачу сформированных блоков, которые предполагают корреляционную обработку на приеме встроенным дополнительным приемником, что затрудняет их использование для многопозиционных сигналов в условиях действия преднамеренных помех.

Известен способ передачи информации в системе связи с шумоподобными сигналами (Патент РФ №2286017, МПК H04B 7/216, 2006 г.), в котором цифровые данные, получаемые от источника информации на временном промежутке [(n-1), nT], где T - период ПСП, n=0, 1, 2 …, при передаче преобразуют в сдвиг ПСП, формируемой на временном промежутке [(n-1), nT], а при приеме определяют величину сдвига ПСП принятого сигнала относительно ПСП ранее принятого сигнала, величину сдвига преобразуют в цифровые данные принятой информации.

Недостатком данного способа является относительно низкая помехоустойчивость сформированного сигнала при воздействии преднамеренных помех.

Наиболее близким аналогом (прототипом) к заявленному способу по своей сущности и достигаемому техническому результату является способ формирования фазоманипулированного псевдослучайного сигнала, описанный в книге Л.Е. Варакина «Системы связи с шумоподобными сигналами», М., «Радио и связь», 1985 г., рис.1.7. В способе-прототипе формирование ФМ псевдослучайного сигнала включает следующую последовательность действий: принимают информационный цифровой сигнал, модифицируют принятый сигнал, для чего генерируют двоичную фазоманипулированную ПСП длины n (n - база сигнала), с использованием которой модифицируют информационный цифровой сигнал, генерируют сигнал несущей частоты, над которым выполняют операцию балансной модуляции с помощью модифицированного информационного сигнала, полученный после балансной модуляции сигнал усиливают и излучают.

Недостатком ближайшего аналога является то, что сформированные фазоманипулированные псевдослучайные сигналы обладают относительно низкой помехозащищенностью в условиях воздействия помех при ограничении средней мощности источника, в частности, по отношению к импульсным помехам, сосредоточенным на небольшом числе субэлементов ПСП.

Целью заявляемого технического решения является разработка способа формирования амплитудно-фазоманипулированного псевдослучайного сигнала, обладающего более высокой помехоустойчивостью за счет формирования и использования для модификации информационного сигнала амплитудно-фазоманипулированной псевдослучайной последовательности, обеспечивающей модифицированному информационному сигналу равномерное распределение на n-мерной сфере [1].

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе формирования ФМ псевдослучайного сигнала, заключающегося в том, что принимают информационный цифровой сигнал, модифицируют его с использованием двоичной ПСП длины n≥1, генерируют сигнал несущей частоты, выполняют операцию балансной модуляции сигнала несущей частоты с помощью модифицированного информационного сигнала, после чего полученный сигнал усиливают и излучают, в заявленном способе для модификации информационного сигнала используют многопозиционную амплитудно-фазоманипулированную псевдослучайную последовательность, для формирования которой генерируют N≥1 ПСП, при этом субэлементы каждой i-й ПСП, где i=1, 2, …, N, разделяют во времени на две равные части, первую из которых формируют путем вычисления синуса некоторого псевдослучайного угла из интервала (0, 2π), а вторую - косинуса этого угла, при этом многопозиционную амплитудно-фазоманипулированную ПСП формируют перемножением N сформированных ПСП, а формирование модифицированного информационного сигнала выполняют путем его умножения на сформированную многопозиционную амплитудно-фазоманипулированную ПСП.

Реализация заявляемого способа поясняется структурной схемой (фиг.1), где источник информации (ИИ) 1 своим выходом подключен к первому входу модификатора информационного сигнала 2, к второму входу которого подключен преобразователь ПСП 3, входы которого соединены с выходами вычислителя sin/cos 4, который своими входами подключен к выходам датчика псевдослучайных углов 5, при этом выход модификатора информационного сигнала 2 подключен к первому входу балансного модулятора 7, второй вход которого соединен с выходом генератора несущей частоты 8, а выход подключен к входу усилителя мощности 9, соединенного свои выходом с передающей антенной 10.

Принцип работы устройства, реализующего заявленный способ формирования амплитудно-фазоманипулированного сигнала, поясняется чертежами фиг.2-9, на которых:

на фиг.2 показана первая ПСП, поступающая от датчика псевдослучайных углов и соответствующая значениям псевдослучайного угла α₁(t);

на фиг.3 показана первая ПСП γ₁(t), сформированная вычислителем sin/cos в результате вычисления синуса и косинуса угла α₁(t);

на фиг.4 показана вторая ПСП, поступающая от датчика псевдослучайных углов и соответствующая значениям псевдослучайного угла α₂(t);

на фиг.5 показана вторая ПСП γ₂(t), сформированная вычислителем sin/cos в результате вычисления синуса и косинуса угла α₂(t) вторая ПСП γ₂(t);

на фиг.6 показана многопозиционная амплитудно-фазоманипулированная ПСП γ_Σ(t), сформированная в результате перемножения ПСП γ_i(t), i=1, 2, … N;

на фиг.7 показан принятый от источника информации информационный цифровой сигнал x(t);

на фиг.8 показан модифицированный информационный сигнал γ_Σ(t)x(t), подаваемый модификатором информационного сигнала на первый вход балансного модулятора;

на фиг.9 показан сигнал несущей частоты ξ(t)=cos(ω₀t+φ₀), поступивший от генератора несущей частоты на второй вход балансного модулятора;

на фиг.10 показан сигнал s(t)=S_mγ_Σ(t)x(t)cos(ω₀t+φ₀), полученный выполнением операции балансной модуляции сигнала несущей частоты с помощью модифицированного информационного сигнала и его усиления усилителем мощности.

Формирование амплитудно-фазоманипулированного псевдослучайного сигнала s(t) (фиг.10) осуществляют следующим образом:

от источника информации принимают информационный цифровой сигнал x(t) (фиг.7);

модифицируют информационный сигнал x(f) (фиг.7) путем его умножения модификатором информационного сигнала на многопозиционную амплитудно-фазоманипулированную ПСП γ_Σ(t) (фиг.6), в результате чего получают модифицированный информационный сигнал γ_Σ(t)x(t) (фиг.8) и подают его на первый вход балансного модулятора;

генерируют сигнал несущей частоты ξ(t)=cos(ω₀t+φ₀) (фиг.9) генератором несущей частоты и подают его на второй вход балансного модулятора;

путем балансной модуляции сигнала несущей частоты ξ(t)=cos(ω₀t+φ₀) (фиг.9) модифицированным информационным сигналом γ_Σ(t)x(t) (фиг.8) формируют амплитудно-фазоманипулированный сигнал ξ(t)=cos(ω₀t+φ₀), в результате усиления которого усилителем мощности получают амплитудно-фазоманипулированный сигнал s(t)=S_mγ_Σ(t)x(t)cos(ω₀t+φ₀) (фиг.10),

Формирование многопозиционной амплитудно-фазоманипулированной ПСП γ_Σ(t) (фиг.6) осуществляют следующим образом:

генерируют с помощью датчика псевдослучайных углов псевдослучайные последовательности, субэлементы каждой из которых принимают значения в интервале (0, 2π) и соответствуют значениям углов α₁(t) (фиг.2), α₂(t) (фиг.4) и т.д. … α_N(t) с равномерным распределением в интервале (0, 2π) и подают эти последовательности α_i(t), i=1, 2,…, N на соответствующие входы вычислителя sin/cos;

с помощью вычислителя sin/cos разделяют субэлементы псевдослучайных последовательностей α₁(t) (фиг.2), α₂(t) (фиг.4) и т.д. до N α_N(t) по временным интервалам на две равные части каждый и преобразуют каждый субэлемент путем вычисления синуса от первой его части и косинуса - от второй, в результате чего формируют псевдослучайные последовательности γ₁(t) (фиг.3), γ₂(t) (фиг.5), и т.д. … γ_N(t), которые подают на входы перемножителя;

формируют в результате перемножения перемножителем псевдослучайных последовательностей γ_i(t), i=1, 2, …, N, многопозиционную амплитудно-фазоманипулированную ПСП γ_Σ(t)=γ₁(t)γ₂(t)…γ_N(t) (фиг.6), которую далее подают на второй вход модификатора информационного сигнала для модификации информационного цифрового сигнала x(t) (фиг.7), подаваемого на первый вход модификатора.

Как и в прототипе, работой элементов, формирующих псевдослучайные последовательности (в заявленном устройстве: датчика псевдослучайных углов, вычислителя sin/cos и перемножителя) управляет синхронизатор, подающий на указанные элементы синхронизирующие импульсы.

Новая совокупность существенных признаков позволяет достичь указанного технического результата, заключающегося в повышении помехоустойчивости излучаемого сигнала при воздействии преднамеренных помех за счет модификации передаваемого сигнала сформированной многопозиционной амплитудно-фазоманипулированной псевдослучайной последовательностью.

Так, в общем случае модифицированный информационный сигнал можно представить вектором γx в n-мерном пространстве, где x-n-вектор информационного сигнала, γ - оператор псевдослучайного преобразования сигнала.

При этом передаваемый амплитудно-фазоманипулированный псевдослучайный сигнал имеет вид

s(t)=S_mγ(t)x(t)cos(ω₀t+φ₀),

где S_m, ω₀, φ₀ - соответственно амплитуда, частота и фаза несущего сигнала.

При воздействии в канале передачи информации помехи v(t) на вход приемника будет поступать сигнал

u(t)=s(t)+v(t)=S_mγ(t)x(t)cos(ω₀t+φ₀)+v(t).

После выполнения в приемнике корреляционной обработки и обратного к γ преобразования γ′ вектор x^, описывающий полученный в результате обработки приемником принятый информационный цифровой сигнал, будет иметь вид:

$$x^{\wedge }=x+\gamma \text{'}v\sqrt{{Е}_{п}/{Е}_{с}}$$

где Е_п, Е_с - соответственно энергия реализации помехи v(t) и сигнала s(t).

Для многопозиционной амплитудно-фазоманипулированной ПСП преобразование γ=γ_Σ, равномерно распределяет сигнал x на n-мерной сфере, при этом обратное преобразование γ′_Σ (образованное многопозиционной амплитудно-фазоманипулированной ПСП с противоположными значениями псевдослучайных углов) также является равномерно распределяющим на n-мерной сфере, так что для любого вектора помехи v аддитивная помеха $$\gamma {\text{'}}_{\Sigma }v=\sqrt{{Е}_{п}/{Е}_{с}}$$ , действующая на информационный сигнал x, является равномерно распределенной на n-мерной сфере, что не позволяет оптимизировать структуру помехи для подавления канала передачи информации.

В то же время для используемой в прототипе двоичной фазоманипулированной ПСП обратное преобразование сводится к покомпонентному умножению на двоичную фазоманипулированную ПСП. В таком случае вектор аддитивной помехи $$\gamma \text{'}v=\sqrt{{Е}_{п}/{Е}_{с}}$$ , действующей на информационный сигнал, зависит от сформированной помехи v, что позволяет источнику помехи эффективно подавлять канал передачи информации путем оптимизации структуры помехи. Как показано в [3], наиболее эффективное подавление радиолинии с фазоманипулированными псевдослучайными сигналами источником помехи с ограниченной средней мощностью и возможностью постановки помех с большим пикфактором может быть осуществлено при сосредоточении энергии помехи на сравнительно небольшом числе субэлементов каждого сигнала.

Сравнительный анализ на основе методики [3] помехоустойчивости в условиях преднамеренных помех радиолинии с заявленным способом формирования амплитудно-фазоманипулированного сигнала и радиолинии, в которой осуществляют формирование фазоманипулированных сигналов (как в прототипе), приведен в приложении 1. Из приведенного анализа следует, что уже при базе сигнала n≥20 использование заявленного способа формирования амплитудно-фазоманипулированного сигнала в условиях воздействия преднамеренной помехи с ограниченной средней мощностью дает выигрыш в помехозащищенности радиолинии более 2 дБ. С ростом базы сигнала этот выигрыш существенно увеличивается, о чем свидетельствуют приведенные графики зависимости (см. фиг.11).

Таким образом, реализация и внедрение заявленного способа формирования амплитудно-фазоманипулированного псевдослучайного сигнала обеспечивает максимальную неопределенность параметров излучаемого сигнала, что повышает помехоустойчивость передаваемого сигнала в условиях воздействия преднамеренных помех при ограничении средней мощности их источника,

Литература

1. Чуднов A.M. Помехоустойчивость корреляционного приема псевдослучайных сигналов, модулированных по амплитуде и фазе //Радиотехника и электроника, 1987. - т.XXXII. - N1, - С.62-68.

2. Чуднов A.M. Теоретико-игровые задачи синтеза алгоритмов формирования и приема сигналов. //Проблемы передачи информации, 1991, т.27, №3. - С.57-65.

3. Чуднов A.M. Анализ помехозащищенности линий и сетей связи. - Л.: ВАС, 1988.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Порядок расчета помехозащищенности линий связи при различных способах формирования сигнала

При формировании ФМ ПСП сигнала вероятность ошибки при заданной пиковой мощности помехи соответствует выражению [3]

где В_псп - база сигнала, δ′_пик - значение пиковой мощности помехи, δ′_ξ=(h′_ξ)^-2.

При δ′_ξ<<δ′_пик для нечетных значений базы В_псп может быть использовано выражение

где j_max=В_псп(1-h′_пик)/2, $$h{\text{'}}_{пик}={(\delta {\text{'}}_{пик})}^{-\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.}$$ .

В частности, при В_псп=1 из (2) вытекает выражение

При формировании АФМ ПСП сигнала для анализа и синтеза используется выражение [2]

где В=В_псп, - неполная бета-функция, определяемая выражением

Для нечетных значений величины базы сигнала В_псп=2k+1 из (3), (4) можно получить расчетное соотношение

Графики зависимостей Р(δ_пик), рассчитанных на основе соотношений (1)-(6), представлены для различных значений базы псевдослучайных сигналов на фиг.11.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к способам формирования сигналов амплитудно-фазовой манипуляции, применяемым на линиях радиосвязи, которые также могут быть использованы в радиосистемах со сложными сигналами и скремблерах. Достигаемый технический результат - формирование амплитудно-фазоманипулированного псевдослучайного сигнала, обладающего более высокой помехоустойчивостью передачи информации. Способ формирования амплитудно-фазоманипулированного псевдослучайного сигнала характеризуется тем, что принимают информационный цифровой сигнал, модифицируют его умножением на многопозиционную амплитудно-фазоманипулированную псевдослучайную последовательность (ПСП), для формирования которой генерируют N≥1 ПСП, при этом субэлементы каждой i-й ПСП, где i=1, 2, …, N, разделяют во времени на две равные части, первую из которых формируют путем вычисления синуса некоторого псевдослучайного угла из интервала (0, 2π), а вторую - косинуса этого угла, при этом многопозиционную амплитудно-фазоманипулированную ПСП формируют перемножением N сформированных ПСП, после чего полученный амплитудно-фазоманипулированный псевдослучайный сигнал усиливают и излучают в пространство. 11 ил.

Способ формирования амплитудно-фазоманипулированного псевдослучайного сигнала, заключающийся в том, что принимают информационный цифровой сигнал, модифицируют его с использованием двоичной псевдослучайной последовательности (ПСП), генерируют сигнал несущей частоты, затем выполняют операцию балансной модуляции сигнала несущей частоты с помощью модифицированного информационного сигнала, после чего полученный амплитудно-фазоманипулированный псевдослучайный сигнал усиливают и излучают, отличающийся тем, что для модификации информационного сигнала используют многопозиционную амплитудно-фазоманипулированную ПСП, для формирования которой генерируют N≥1 ПСП, субэлементы каждой i-й ПСП, где i=1, 2, …, N, разделяют во времени на две равные части, первую из которых формируют путем вычисления синуса некоторого псевдослучайного угла из интервала (0, 2π), а вторую - косинуса этого угла, при этом многопозиционную амплитудно-фазоманипулированную ПСП формируют перемножением N сформированных ПСП, а формирование модифицированного информационного сигнала выполняют путем его умножения на сформированную многопозиционную амплитудно-фазоманипулированную ПСП.