Способ передачи информации широкополосными сигналами Российский патент 2019 года по МПК H04B7/216 

Предлагаемый способ относится к области радиосвязи, использующей широкополосные фазоманипулированные сигналы на основе псевдослучайных последовательностей (ПСП). Способ может найти применение в системах радиосвязи, использующих подобные сигналы.

Общие принципы формирования и приема информации шумоподобными сигналами и устройства дискретной обработки ШПС неоднократно описаны в литературе, например, в [1, стр.341-354]. Способ передачи [1] по функциональности и алгоритму работы аналогичен заявляемому.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ, описанный в [2], принятый за прототип.

Способ передачи заключается в следующем.

На передающей стороне формируют сигналы несущей и тактовой частот, из сигнала тактовой частоты формируют две квазиортогональные двоичные последовательности: синхронизирующую последовательность (СП) и информационную последовательность (ИП), сфазированные между собой; ИП кодируют путем циклического сдвига относительно СП на целое число тактов, определяемое символом информации, передаваемой за время, равное длительности одного периода ИП, и сложением по модулю два с дополнительным битом информации, полученной последовательностью манипулируют по фазе сигнал несущей частоты, сдвинутый по фазе на 90⁰, и складывают с сигналом несущей частоты, манипулированным по фазе СП, после чего сигнал усиливают и передают по каналу связи;

в приемном устройстве входной сигнал усиливают, преобразуют по частоте, формируют сигнал тактовой частоты, из которого формируют две квазиортогональные двоичные псевдослучайные последовательности СП и ИП, сфазированные между собой, осуществляют фазирование СП с принимаемым сигналом, а также на каждом периоде повторения СП определяют циклический сдвиг ИП относительно СП и наличие инверсии ИП, по которым определяют принятый символ информации и его дополнительный бит.

Недостатком способа-прототипа являются последствия его технической реализации в системах связи, использующих широкополосные фазоманипулированные сигналы, а именно снижение помехозащищенности системы связи в радиоканалах с многолучевым распространением, а также при воздействии мощных узкополосных помех.

Известно, что в реальных приемных устройствах широкополосных фазоманипулированных сигналов для подавления узкополосных помех применяется метод режекции участков спектра, пораженных такими помехами. Эта операция приводит к расширению функции корреляции сигналов и, соответственно, снижению вероятности правильного определения его задержки, то есть передаваемой информации.

Кроме того, в радиоканалах с многолучевым распространением при отсутствии в приемном устройстве функции сложения лучей возможны ошибки в приеме информации за счет того, что приемное устройство синхронизировалось по одному (наибольшему по мощности) из лучей, а мощность другого луча впоследствии возрастает до уровня, соизмеримого или превышающего уровень мощности этого луча.

Исследуем функционирование способа-прототипа. Предположим, что на вход приемника помимо основного сигнала приходит отраженный, совпадающий с основным по фазе несущей частоты и задержанный на целое число элементов ПСП. Тогда входной сигнал в способе-прототипе можно представить в виде

(1)

где a – амплитуда основного сигнала;

a_ОТ – амплитуда отраженного сигнала;

τ –длительность элемента ПСП;

f – несущая частота;

kτ – задержка отражения луча;

– шумовая или помеховая составляющая.

Функция взаимной корреляции с информационной последовательностью имеет вид:

(2)

где П(n) – случайные величины;

R(n) – автокорреляционная функция последовательности ИП;

N – длина последовательности.

Из (2) видно, что функция взаимной корреляции имеет два пика:

(3)

Для остальных n можно считать

(4)

Нетрудно показать, что П(n) являются независимыми гауссовскими случайными величинами с нулевым средним и одинаковой дисперсией σ.

Правильный прием информации осуществляется только в том случае, если

(5)

В силу независимости П(n) вероятность такого события

(6)

где

(7)

Вычисляем далее и получим

(8)

где

(9)

Поэтому

(10)

Вероятность ошибки

(11)

Расчеты (1-11) поясняются фиг. 1, где показаны зависимости требуемого отношения сигнал/шум q (в децибелах) на входе решающей схемы от относительного уровня отраженного луча для обеспечения заданной вероятности ошибки Pош≤10^-3 при длине последовательности N = 127 (для остальных N результаты получаются аналогичными).

Из фиг.1 видно увеличение требуемого отношения сигнал/шум при увеличении относительного уровня отраженного луча. Поскольку величина требуемого отношения сигнал/шум на входе решающей схемы определяет помехозащищенность системы связи, можно говорить о сниженной помехозащищенности при многолучевом распространении сигнала.

В заявляемом изобретении решается задача повышения помехозащищенности системы связи в результате снижения уровня ошибок, обусловленных указанными недостатками.

Достигаемый при использовании изобретения технический результат – повышение помехозащищенности системы связи при многолучевом распространении сигнала или воздействии узкополосных помех. Кроме того, заявленный способ позволяет использовать две одинаковые последовательности ИП и СП, использовать последовательности длиной 2^n-1 элементов, использовать ИП, имеющую длину равную целой части результата деления длины СП на целое число, что позволяет повысить скорость передачи информации.

Для решения поставленной задачи в способе передачи, заключающемся в том, что на передающей стороне

формируют сигналы несущей и тактовой частот, из сигнала тактовой частоты формируют две квазиортогональные двоичные последовательности СП и ИП, сфазированные между собой; ИП кодируют путем циклического сдвига относительно СП на целое число тактов, определяемое символом информации, передаваемой за время, равное длительности одного периода ИП, и сложением по модулю два с дополнительным битом информации, кроме того, синхронизирующей последовательностью манипулируют фазу сигналом несущей частоты и складывают с манипулированным по фазе сигналом несущей частоты, сдвинутым по фазе на 90⁰, усиливают и передают по каналу связи;

и дополнительно согласно изобретению, из сигнала тактовой частоты формируют дополнительную двоичную псевдослучайную последовательность (ДП) квазиортогональную ИП и сфазированную с СП, складывают ее по модулю два с кодированной ИП, после чего манипулируют по фазе сигнал несущей частоты, сдвинутый по фазе на 90⁰,

на приемной стороне

входной сигнал усиливают, преобразуют по частоте, формируют сигнал тактовой частоты, из которого формируют две квазиортогональные двоичные псевдослучайные последовательности СП и ИП, сфазированные между собой, осуществляют фазирование СП с принимаемым сигналом, а также на каждом периоде повторения СП определяют циклический сдвиг ИП относительно СП и наличие инверсии ИП, по которым определяют принятый символ информации и его дополнительный бит,

и дополнительно согласно изобретению,

из сигнала тактовой частоты формируют дополнительную двоичную псевдослучайную последовательность (ДП), сфазированную с СП, а входной сигнал, усиленный и преобразованный по частоте, манипулируют по фазе дополнительной последовательностью, после чего осуществляют определение циклического сдвига ИП и ее инверсии.

Преимущества заявленного способа поясняются следующими расчетами.

Сигнал на входе приемника имеет вид (аналогично сигналу (1)):

(12)

где ДП(t) – дополнительная последовательность.

Соответственно, по аналогии с (2), функция взаимной корреляции с ИП имеет вид:

(13)

При использовании М-последовательностей вычисления упрощаются. Используем свойство М-последовательностей, заключающееся в том, что сумма по модулю два циклически сдвинутых М-последовательностей порождает ту же последовательность. Преобразуем:

(14)

Получим:

(15)

где В_{ИП, ДП} – одно из значений функции взаимной корреляции ИП и ДП, гораздо меньшее, чем R(0) = N, и можно считать, что

.(16)

При этом вероятность ошибки при приеме составляет

, (17)

что соответствует начальным точкам кривых на фиг.1.

Таким образом, наличие многолучевого распространения сигнала не приводит к снижению помехозащищенности системы связи.

Кроме того, в заявленном способе передачи можно использовать две одинаковые основные последовательности, так как применение дополнительной последовательности делает СП и квазиортогональными.

Кроме того, в заявленном способе передачи можно использовать последовательности, имеющие длину 2ⁿ-1, поскольку при длине последовательности 2ⁿ-1 для одного 2ⁿ из информационных символов кодированную ИП можно преобразовывать в постоянную величину, равную дополнительному биту информации, так как последовательность из одинаковых элементов квазиортогональна ИП, и суммирование с дополнительной последовательностью сохраняет свойства шумоподобности сигнала.

Кроме того, в заявленном способе передачи можно использовать ИП и ДП, имеющие длину равную целой части результата деления длины СП на целое число, и на каждом периоде повторения ИП осуществлять ее циклический сдвиг относительно ДП, соответствующий новому передаваемому символу информации, и сложение по модулю два с новым дополнительным битом информации. Взаимное расположение синхронизирующей и дополнительной последовательностей показано на фиг.2. В этом случае повышается скорость передачи информации.

Таким образом, способ позволяет повысить помехозащищенность системы связи, находящейся в условиях многолучевого распространения сигнала. Кроме того, способ позволяет использовать две одинаковые основные последовательности, использовать последовательности длиной 2ⁿ-1 элементов, повысить скорость передачи информации.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. В.Б. Пестряков, В.П. Афанасьев, В.Л. Гурвиц и др. «Шумоподобные сигналы в системая передачи информации» – 1973, 424с.

2. Патент РФ №2279183 Способ передачи информации в системе связи с широкополосными сигналами: H04B 1/10, H04B 7/216 / Р.П. Николаев, А.Р. Попов; заявитель(и) и патентообладатель(и) Р.П. Николаев, А.Р. Попов. Заявка 2004126633/09, 06.09.2004, опубл.27.06.2006, Бюл.№18.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к системам обработки информации, использующим сложные широкополосные сигналы, и может найти применение в широкополосных помехозащищенных системах радиосвязи. Технический результат – повышение помехозащищенности системы связи при многолучевом распространении сигнала или воздействии узкополосных помех. Для этого на передающей стороне формируют сигналы несущей и тактовой частот, из сигнала тактовой частоты формируют двоичные псевдослучайные последовательности, сфазированные между собой: синхронизирующую, информационную и дополнительную; причем информационная и дополнительная последовательности квазиортогональны, а синхронизирующая последовательность совпадает с информационной, длины последовательностей одинаковы или длины информационной и дополнительной последовательности могут составлять целую часть результата деления длины синхронизирующей последовательности на целое число; причем информационную последовательность кодируют информацией, передаваемой за время, равное периоду ее повторения путем циклического сдвига относительно синхронизирующей или дополнительной последовательности на целое число тактов, определяемое передаваемым символом информации, и сложением по модулю два с дополнительным битом информации, кодированную последовательность складывают по модулю два с дополнительной последовательностью и манипулируют по фазе сигнал несущей частоты, сдвинутый по фазе на 90⁰, который складывают с сигналом несущей частоты, манипулированный по фазе синхронизирующей последовательностью, полученный сигнал усиливают и передают по каналу связи; в приемном устройстве входной сигнал усиливают и преобразовывают по частоте, формируют сигнал тактовой частоты, из которого формируют сфазированнные между собой двоичные псевдослучайные последовательности: синхронизирующую, информационную и дополнительную; синхронизирующую последовательность фазируют с принимаемым сигналом, дополнительной последовательностью демодулируют усиленный и преобразованный по частоте входной сигнал, после чего определяют циклический сдвиг информационной последовательности и наличие инверсии, по которым определяют принятый символ информации и его дополнительный бит. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ передачи информации широкополосными сигналами, заключающийся в том, что формируют сигналы несущей и тактовой частот, из сигнала тактовой частоты формируют две квазиортогональные двоичные последовательности: синхропоследовательность (СП) и информационную последовательность (ИП), сфазированные между собой; ИП кодируют путем циклического сдвига относительно СП на целое число тактов, определяемое символом информации, передаваемой за время, равное длительности одного периода ИП, и сложением по модулю два с дополнительным битом информации, кроме того, синхронизирующей последовательностью манипулируют фазу сигналом несущей частоты и складывают с манипулированным по фазе сигналом несущей частоты, сдвинутым по фазе на 90⁰,

полученный сигнал усиливают, и передают по каналу связи;

в приемном устройстве входной сигнал усиливают, преобразуют по частоте, формируют сигнал тактовой частоты, из которого формируют две квазиортогональные двоичные псевдослучайные последовательности СП и ИП, сфазированные между собой, осуществляют фазирование СП с принимаемым сигналом, а также на каждом периоде повторения СП определяют циклический сдвиг ИП относительно СП и наличие инверсии ИП, по которым определяют принятый символ информации и его дополнительный бит,

отличающийся тем, что на передающей стороне из сигнала тактовой частоты формируют дополнительную двоичную псевдослучайную последовательность ДП квазиортогональную ИП и сфазированную с СП, складывают ее по модулю два с кодированной ИП, после чего манипулируют по фазе сигнал несущей частоты, сдвинутый по фазе на 90⁰;

в приемном устройстве из сигнала тактовой частоты формируют аналогичную дополнительную двоичную псевдослучайную последовательность, сфазированную с СП, а входной сигнал, усиленный и преобразованный по частоте, манипулируют по фазе дополнительной последовательностью, после чего осуществляют определение циклического сдвига ИП и ее инверсии.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что СП и ИП одинаковы.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при длине последовательностей 2ⁿ-1 для одного из информационных символов кодированная ИП преобразовывается в постоянную величину, равную дополнительному биту информации.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что ИП и ДП имеет длину, равную целой части результата деления длины СП на целое число, и на каждом периоде повторения ИП осуществляется ее циклический сдвиг относительно ДП, соответствующий новому передаваемому символу информации, и сложение по модулю два с новым дополнительным битом информации.