Способ передачи и приема сигналов в режиме псевдослучайной перестройки рабочей частоты Российский патент 2021 года по МПК H04B1/713 

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для применения в помехозащищенных системах радиосвязи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ).

Известен способ формирования сигнала с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты, описанный в (Патент РФ №2343638, «Линия радиосвязи для сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты», МПК H04J 13/06, опубл. 10.01.2009 Бюл. №1) В этом способе входную информацию разбивают на К параллельных потоков, преобразуют в модулированные радиочастоты, переносят на выходные радиочастоты, определяемые псевдослучайной последовательностью, причем время работы на каждой частоте в каждом потоке регулируют изменением уровня сигнала в i-ом (1<i≤K) потоке.

Однако известный способ имеет низкую помехозащищенность приема сигналов при воздействии помех от радиоэлектронных средств (РЭС), согласованных со спектром сигнала.

Известен «Способ передачи дискретной информации в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты». (Патент РФ №2228575, мпк Н04В 1/713, опубл. 10.05.2004 Бюл. №13). В этом способе частоты сигнала модулируют помехоустойчивым кодом, а перестройку передатчика осуществляют одновременно на несколько частот.

Однако данный способ, как и предыдущий аналог, характеризуется низкой помехозащищенностью приема сигналов при воздействии помех от РЭС, согласованных со спектром сигнала.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявляемому изобретению является «Способ передачи информации с внутрисимвольной псевдослучайной перестройкой рабочей частоты» (Патент РФ №2533077, МПК H04L 9/20, опубл. 20.11.2014 Бюл. №32).

Согласно способу-прототипу сигнал с ППРЧ формируют следующим образом.

На передающей стороне полезная информация разбивается на символы, каждый длиною в несколько бит, которые, в свою очередь, разносятся на независимые частотные элементы, каждый из которых передается поочередно на своей частоте в соответствии с заданной псевдослучайной последовательностью. При этом каждый частотный элемент представляет собой одну из заданного ансамбля ортогональных фазомодулированных кодовых последовательностей, одинаковую в пределах одного символа, номер которой также связан с передаваемым символом. А на приемной стороне осуществляется прием посимвольно на всех возможных, в соответствии с заданной псевдослучайной последовательностью, для данного символа частотах, при этом для каждого частотного элемента определяется номер несущей частоты и номер кодовой последовательности. После чего составляется частотно-временная матрица, на основании которой, а также с учетом номера кодовой последовательности определяется передаваемый символ и соответствующие символу биты информации передаются получателю сообщения.

Недостатком способа-прототипа является низкая помехозащищенность приема сигналов в режиме ППРЧ при воздействии помех от РЭС, согласованных со спектром сигнала. Поскольку на каждой частоте, используемой для передачи сигнала в режиме с ППРЧ, параметры спектра сигнала остаются неизменными.

Задачей изобретения является создание способа позволяющего за счет увлечения базы сигнала на основе технологии ППРЧ и различающихся методов формирования и обработки радиосигнала.

Техническим результатом является повышение помехозащищенности приема сигналов в режиме ППРЧ в условиях воздействия помех от РЭС, согласованных со спектром сигнала.

Технический результат достигается тем, что в способе передачи и приема сигналов в режиме псевдослучайной перестройки рабочей частоты, заключающимся в том, что предварительно перед сеансом связи формируют n гармонических колебаний, причем n всегда четное число, используемых в качестве рабочих частот для режима псевдослучайной перестройки рабочих частот, затем каждой рабочей частоте присваивают порядковый номер перед выбором очередной рабочей частоты в соответствии с заданной псевдослучайной последовательностью каждый раз задают новое число d, значение которого всегда целое и меньше чем n/2, определяют номер текущей рабочей частоты для передачи очередного бита информации следующим образом, если значение очередного информационного бита равно единице, то номер текущей рабочей частоты, далее определяемую как суммарная частота, вычисляют путем суммирования значения nil и числа d, а если значение очередного информационного бита равно нулю, то номер текущей рабочей частоты, далее определяемую как разностная частота, вычисляют путем вычитания из значения n/2 числа d, на текущей рабочей частоте формируют фазоманипулированный сигнал, который излучают в сторону корреспондента, на стороне корреспондента прием осуществляют одновременно и на суммарной, и на разностной частотах, значения которых вычисляют аналогичным передающей стороне образом, и над принятыми сигналами на длительности информационного бита осуществляют амплитудное детектирование, после чего сравнивают уровни детектированных сигналов, если уровень детектированного сигнала на суммарной частоте превышает уровень детектированного сигнала на разностной частоте, то принимают решение о принятом информационном бите равном значению единица, в противном случае - о принятом информационном бите равном значению нуля.

Технический результат достигается благодаря новой совокупности существенных признаков. В заявляемом способе повышение помехозащищенности осуществляется за счет увлечения базы сигнала на основе технологии ППРЧ и различающихся методов формирования и обработки радиосигнала.

Поясним возможность достижения указанного технического результата.

В прототипе реализуется алгоритм формирования радиосигнала в режиме ППРЧ, при котором неопределенным является выбор рабочих частот опорного колебания и разнесение информационных символов на частотные элементы.

Режим помехозащиты, способы модуляции и демодуляции сигналов при его формировании и обработке являются известными. Поэтому воздействие помех от РЭС, согласованных со спектром сигнала, обуславливают снижение помехозащищенности.

В заявляемом способе перед каждой передачей информационного бита на основе псевдослучайной последовательности производится выбор двух рабочих частот, симметрично расположенных относительно центральной частоты пронумированной группы рабочих частот. Окончательный выбор текущей рабочей частоты производится на основе значения информационного бита, подлежащего передаче. Исходя из условия, что конкретное значения информационного бита (ноль или единица) является случайным, то выбор текущей рабочей частоты для системы противодействия будет случайным. Согласно [Борисов В.И., Зинчук В.М., Лимарев А.Е. Помехозащищенность систем радиосвязи расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты // под ред. В.И. Борисова; изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: РадиоСофт, 2008. - 512 с.] данный режим является псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ).

Кроме того, на выбранной текущей рабочей частоте осуществляется фазовая модуляция несущей, а демодуляция радиосигнала производится методами амплитудного детектирования на длительности излучения одновременно на двух частотах: на одной частоте осуществляется передача сигнала, непреднамеренное (шум) и мешающее воздействие РЭС, на другой воздействует только шум. Поэтому помехоустойчивость приема информационного сигнала в заданных условиях возрастает.

Для системы противодействия радиосигнал на текущей рабочей частоте идентифицируется радиосигналом фазовой телеграфии, а не амплитудной телеграфии. Таким образом схема обработки радиосигнала на рабочей частоте при приеме отличается от схемы его формирования, что усложняет принятие решение на постановку помех для системы противодействия и улучшает свойства структурной скрытности радиосигнала.

Согласно, [Борисов В.И., Зинчук В. М. Помехозащищенность систем радиосвязи вероятностно-временной подход. М.: Радио и связь, 1999. - С. 252. См. стр. 10-20] помехозащищенность систем радиосвязи зависит от структурной скрытности и помехоустойчивости радиосигнала. А в заявляемом способе реализуется улучшение свойств помехоустойчивости и скрытности, что и определяет повышение помехозащищенности.

Заявленный способ поясняется чертежом, на котором показаны: Фиг. 1 - а) временная диаграмма информационного бита «1»;

б) временные диаграммы сигналов суммарной и разностной частоты;

в) спектр сигнала на суммарной и разностной частотах;

г) временные диаграммы детектированных сигналов на суммарной и разностной частоте.

Реализация заявляемого способа в соответствии с фиг. 1 осуществляется следующим образом:

1. Предварительно перед сеансом связи формируют n гармонических колебаний, причем n всегда четное число, используемых в качестве рабочих частот для режима псевдослучайной перестройки рабочих частот, затем каждой рабочей частоте присваивают порядковый номер

Процедура формирования четной группы гармонических колебаний аналогична процедуре синтеза частот, которая может быть получена на основе известных способов прямого или косвенного синтеза частот [см., например, патент РФ №2702572 от 28.11.19 «Синтезатор частот», авторов Очкова Д.С, Формальнова И.С. и др.].

Процедура формирования пронумерованной группы частот является известной и приведена, в частности, в [Патенте РФ №2602990 от 20.11.16 «Способ адаптивной передачи данных в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты», авторов Дворникова С.В., Пшеничникова А.В. и др.].

2. Полезную информацию разбивают на биты, каждый из которых поочередно передают на своей частоте, выбор которой осуществляют в соответствии с заданной псевдослучайной последовательностью.

Данная процедура отражает порядок выбора рабочих частот в режиме ППРЧ и полностью идентична способу-прототипу.

3. Перед выбором очередной рабочей частоты в соответствии с заданной псевдослучайной последовательностью каждый раз задают новое число d, значение которого всегда целое и меньше чем n/2.

Операция получения целого числа d меньшего n/2 из случайной кодовой последовательности основывается на выборе номера интервала отрезка длиной nil в зависимости от кодовой последовательности. Данная операция известна и приведена, например, в [Патенте РФ №2273099 от 27.03.06 «Радиолиния с программной перестройкой рабочей частоты», авторов Пшеничникова А.В., Семисошенко М.А]. Отличительной особенностью указанной операции являются задание целочисленных значений границ интервалов. Другой вариант реализации может быть основан на генерации случайных чисел с ограничением максимального значения, см., например, [Патент РФ №2424551 от 10.04.11 «Способ генерации случайных чисел», автора Минакова В. А.].

4. Определяют номер текущей рабочей частоты для передачи очередного бита информации следующим образом, если значение очередного информационного бита равно единице (см. фиг. 1а), то номер частоты, далее определяемую как суммарная частота вычисляют путем суммирования значения n/2 и числа а если значение очередного информационного бита равно нулю, то номер частоты, далее определяемую как разностная частота вычисляют путем вычитания из значения n/2 числа d (Δ=n/2-d).

Данные операции представляют собой логико-арифметические действия и могут быть реализованы программно на базе цифровых процессоров. Такой способ реализации приведен, например, в [Патенте РФ №2273099 от 27.03.06 «Радиолиния с программной перестройкой рабочей частоты», авторов Пшеничникова А.В., Семисошенко М.А].

5. На текущей рабочей частоте формируют фазоманипулированный сигнал, который излучают в сторону корреспондента, (см. фиг. 1б).

Процедура фазовой модуляции является известной и реализована, например, в [Патенте РФ №2481700 от 20.08.12 «Способ фазовой модуляции и демодуляции высокочастотных сигналов и устройство его реализации», авторов Головкова А.А., Милютина И.А.].

6. Принимают сигнал на частотах, определенных в соответствии с заданной псевдослучайной последовательностью, одновременно и на суммарной и на разностной частотах, значения которых вычисляют аналогичным передающей стороне образом (см. фиг. 1в).

Процедура приема сигнала в соответствии с заданной псевдослучайной последовательностью, характеризует режим псевдослучайной перестройки и идентична способу-прототипу. В отличие от способа-прототипа прием осуществляется одновременно на суммарной и разностной частотах, номера которых вычисляют согласно п. 4.

7. Над принятыми излучениями на длительности информационного бита осуществляют амплитудное детектирование (см. фиг. 1г).

Процедура амплитудного детектирования является известной и представлена, например, в [Патенте РФ №2328068 от 27.06.08 «Амплитудный детектор», автора Зезюнкова В.П.].

8. Время амплитудного детектирования задают временем излучения блока двоичной последовательности, а полосу детектирования выбирают исходя из длительности его элемента.

Процедуры определения параметров амплитудного детектирования являются известными и приведены, в частности, в [СВ. Дворников и др. Радиоприемные устройства. Учебник - СПБ. ВАС, 2016 г.], [Д.Д. Кловский. Теория передачи сигналов. Учебник - М. 1973 г].

9. Сравнивают уровни детектированных сигналов, если уровень детектированного сигнала на суммарной частоте превышает уровень детектированного сигнала на разностной частоте то принимают решение о принятом информационном бите равном значению единица (см. фиг. 1 г), в противном случае - о принятом информационном бите равном значению нуля.

Операция определения максимального значения детектированных уровней сигнала может быть реализована на основе сравнения с известным пороговым значением, является известной и описана, например, в [Патенте РФ №2705357 от 07.11.19 «Способ передачи информации по коротковолновому каналу связи с использованием частотно-манипулированных сигналов», авторов Дворникова С.В., Пшеничникова А.В., Присюжника С.П. и др.].

Уровням амплитудно-детектированных сигналов соответствуют номера частот, что позволяет реализовать операцию выбора номера частоты с большим уровнем сигнала и определение превышения данного номера величины n/2 в частности на базе микропроцессорной обработки, см., например, [Патент РФ №2273099 от 27.03.06 «Радиолиния с программной перестройкой рабочей частоты», авторов Пшеничникова А.В., Семисошенко М.А].

Формирование бита информационной последовательности на основе уровня амплитудного детектирования, передача бита получателю сообщения является операцией последетекторной обработки и описана, например, в [С.В. Дворников и др. Радиоприемные устройства. Учебник -СПБ. ВАС, 2016 г.], [Д.Д. Кловский. Теория передачи сигналов. Учебник - М. 1973 г.].

Результаты проведенного имитационного моделирования передачи двоичных сообщений в среде MatLAB на основе разработанного способа показали значительное снижение вероятности ошибки приема элемента сигнала в условиях воздействия помех от РЭС, согласованных со спектром сигнала, по сравнению со способом-прототипом, тем самым повысив помехозащищенность приема сигналов.

Таким образом, в заявляемом изобретении при его реализации обеспечивается помехозащищенная передача и прием сигналов в режиме ППРЧ, что указывает на достижение технического результата.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в помехозащищенных системах радиосвязи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ). Техническим результатом является повышение помехозащищенности приема сигналов в режиме ППРЧ в условиях воздействия помех от РЭС, согласованных со спектром сигнала. Технический результат достигается, в частности, тем, что передача информационного сигнала, представленного совокупностью нулей и единиц, осуществлена на двух разных частотах, каждая из которых не является частотой, выбранной на основании псевдослучайной последовательности. 1 ил.

Способ передачи и приема сигналов в режиме псевдослучайной перестройки рабочей частоты, заключающийся в том, что на передающей стороне полезную информацию разбивают на биты, каждый из которых поочередно передают на своей частоте, выбор которой осуществляют в соответствии с заданной псевдослучайной последовательностью, на приемной стороне осуществляют прием на частотах, в соответствии с заданной псевдослучайной последовательностью, полученные информационные биты передаются получателю сообщения, отличающийся тем, что предварительно перед сеансом связи формируют n гармонических колебаний, причем n всегда четное число, используемых в качестве рабочих частот для режима псевдослучайной перестройки рабочих частот, затем каждой рабочей частоте присваивают порядковый номер перед выбором очередной рабочей частоты в соответствии с заданной псевдослучайной последовательностью каждый раз задают новое число d, значение которого всегда целое и меньше чем n/2, определяют номер текущей рабочей частоты для передачи очередного бита информации следующим образом, если значение очередного информационного бита равно единице, то номер текущей рабочей частоты, далее определяемой как суммарная частота, вычисляют путем суммирования значения n/2 и числа d, а если значение очередного информационного бита равно нулю, то номер текущей рабочей частоты, далее определяемой как разностная частота, вычисляют путем вычитания из значения n/2 числа d, на текущей рабочей частоте формируют фазоманипулированный сигнал, который излучают в сторону корреспондента, на стороне корреспондента прием осуществляют одновременно и на суммарной, и на разностной частотах, значения которых вычисляют аналогичным передающей стороне образом, и над принятыми сигналами на длительности информационного бита осуществляют амплитудное детектирование, после чего сравнивают уровни детектированных сигналов, если уровень детектированного сигнала на суммарной частоте превышает уровень детектированного сигнала на разностной частоте, то принимают решение о принятом информационном бите, равном значению единица, в противном случае - о принятом информационном бите, равном значению нуля.