Способ помехозащищенной передачи и приема информации на основе частотно-манипулированных сигналов Российский патент 2022 года по МПК H04B3/46 

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для применения в помехозащищенных радиоэлектронных системах (РЭС), в том числе в системах радиосвязи.

Известен «Способ передачи информации по коротковолновому каналу связи с использованием частотно-манипулированных сигналов» (Патент РФ № 2519011, опубл. 10.06.2014, Бюл. № 16).

В известном способе сигналы на поднесущих частотах принимают как независимые частотно-разнесенные амплитудно-манипулированные колебания с оценкой уровня сигнала и помех, производят оценку качества и принимают решение о значении передаваемого символа, которое зависит от полученных оценок качества сигналов на поднесущих частотах, причем количество частотно-разнесенных подканалов равно числу N, которое больше двух, а в каждом подканале для обеспечения минимального пик-фактора радиосигнала передачу осуществляют последовательно по времени на одной из М частот, излучая радиоимпульсы длительностью в N раз меньшей длительности символа передаваемого сообщения.

Время излучения и частоту излучения радиоимпульса в каждом подканале выбирают в зависимости от значения передаваемого n-элементного (n=log2(M2V)) символа, а решение о значении принимаемого символа выносят с учетом оценок качества принимаемых импульсов в каждом частотно-разнесенном подканале по критерию отношения максимального значения отсчета, полученного по значениям времени и частот.

Однако известный способ обладает низкой помехозащищенностью приема сигналов в условиях радиоизлучений, создаваемыми другими радиоэлектронными средствами (РЭС) в полосе частот формируемого радиоизлучения.

Известен «Способ формирования сигнала с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты» (ППРЧ) (Патент РФ № 2648291. Опубл. 23.03.2018, Бюл. № 9). В известном способе генерирование первичного сигнала осуществляется в базисах функций сплайн-характеров (БФСХ).

Далее проводится его модуляция цифровой последовательностью. Модулированный сигнал перемножается с опорным колебанием. Причем частоты опорного колебания определяют в соответствии с первой заданной случайной кодовой цифровой последовательностью, а значения изменяющихся параметров БФСХ выбирают в соответствии со второй заданной псевдослучайной кодовой цифровой последовательностью синхронно с изменением частоты опорного колебания.

Однако известный способ обладает низкой помехозащищенностью приема сигналов в условиях радиоизлучений, создаваемыми другими РЭС в полосе частот формируемого радиоизлучения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению, является «Способ передачи информации по коротковолновому каналу связи с использованием частотно-манипулированных сигналов» (Патент РФ № 2705357, опубл. 07.11.2019, Бюл. № 31).

В способе передачи информации по коротковолновому каналу связи с использованием частотно-манипулированных сигналов (ЧМС), отличающегося тем, что сигналы на поднесущих частотах принимают как независимые частотно-разнесенные амплитудно-манипулированные колебания, производят оценку уровня сигнала на поднесущих частотах, излучение на которых зависит от значения передаваемого символа, и выносят решение о значении принимаемого символа, которое зависит от полученных оценок качества сигналов на поднесущих частотах, характеризующегося тем, что предварительно выбирают код с постоянным весом для кодирования поднесущих частот таким образом, чтобы разрядность кода соответствовала числу доступных для передачи поднесущих частот, затем разбивают битовый поток на информационные блоки в соответствии с числом доступных комбинаций кода, определяющих его алфавит, ставят в соответствие каждому информационному блоку свою уникальную комбинацию элементов кода с (УКЭК) постоянным весом, которая определяет передаваемый символ, после чего формируют сигналы в виде амплитудно-манипулированных колебаний (АМЕС) на длительности каждого передаваемого символа только на тех поднесущих частотах, которым соответствуют информационные единицы, определяемые комбинацией элементов кода с постоянным весом, причем формируют результирующий частотно-манипулированный сигнал путем аддитивного сложения колебаний всех поднесущих частот и принимают результирующий частотно-манипулированный сигнал на поднесущих частотах как независимые частотно-разнесенные амплитудно-манипулированные колебания, при этом оценивают качество сигнала на поднесущих частотах путем сравнения рассчитанного среднего значения мощности его спектральных компонент в пределах каждой из поднесущих частот с рассчитанной величиной среднего значения мощности сигнала на длительности принятого символа на всех поднесущих частотах, а решение о передаче информационной единицы в пределах каждой из поднесущих частот принимают в случае, если рассчитанное среднее значение мощности спектральных компонент в пределах поднесущей частоты превышает рассчитанную величину среднего значения мощности на длительности принятого символа на всех поднесущих частотах, а в противном случае принимают решение о передаче информационного нуля.

Недостатком известного способа-прототипа является относительно низкая помехозащищенность приема, обусловленная неспособностью исправлять ошибки, вносимые радиоизлучениями, создаваемыми другими РЭС в полосе частот формируемого сигнала.

Задачей изобретения является создание способа позволяющего формировать частотно-манипулированные сигналы в пределах выделенных для передачи частотных интервалов в соответствии с уникальными доступными комбинациями выбранного кода, позволяющего исправлять ошибки, вносимые радиоизлучениями, создаваемыми другими РЭС в полосе частот формируемого сигнала.

Техническим результатом является повышение помехозащищенности передачи и приема сигналов в условиях воздействия радиоизлучений сторонних РЭС, локализованных в полосе приема сигналов.

Технический результат достигается тем, что в способе передачи и приема информации на основе частотно-манипулированных сигналов, заключающемся в том, что при формировании частотно модулированного сигнала, подлежащего передаче, для поднесущих частот выбирают код для их кодирования таким образом, чтобы разрядность кода соответствовала числу доступных для передачи поднесущих частот, затем разбивают

подлежащий передаче битовый поток на информационные блоки, ставят в соответствие каждому информационному блоку свою уникальную комбинацию элементов кода, которая определяет передаваемый символ, после чего формируют сигналы в виде амплитудно-манипулированных колебаний на длительности каждого передаваемого символа только на тех поднесущих частотах, которым соответствуют информационные единицы, определяемые уникальной комбинацией элементов кода, причем формируют результирующий частотно-манипулированный сигнал путем аддитивного сложения колебаний всех поднесущих частот и передают его, принимают результирующий частотно-манипулированный сигнал на поднесущих частотах как независимые частотно-разнесенные амплитудно-манипулированные колебания, при этом оценивают качество сигнала на поднесущих частотах путем сравнения рассчитанного среднего значения мощности его спектральных компонент в пределах каждой из поднесущих частот с рассчитанной величиной среднего значения мощности сигнала на длительности принятого символа на всех поднесущих частотах, а решение о передаче информационной единицы в пределах каждой из поднесущих частот принимают в случае, если рассчитанное среднее значение мощности спектральных компонент в пределах поднесущей частоты превышает рассчитанную величину среднего значения мощности на длительности принятого символа на всех поднесущих частотах, а в противном случае принимают решение о передаче информационного нуля, дополнительно предварительно формируют порождающий полином для выбранного кода информационных блоков, а уникальную комбинацию элементов кода формируют путем перемножения информационного блока на порождающий полином, а на приемном конце канала связи предварительно формируют проверочные данные, для чего в каждую уникальную комбинацию элементов кода последовательно вносят одно ошибочное значение, начиная с младшего разряда, и вычисляют результирующие остатки путем деления каждой уникальной комбинации элементов кода с внесенным ошибочным значением на порождающий полином, ставят в соответствие номер разряда, в котором содержится ошибочное значение, и значение вычисленного результирующего остатка, формируют принятую уникальную комбинацию элементов кода по результатам принятия решения о переданном нуле или единицы на поднесущих в пределах символа, проверяют принятую уникальную комбинацию элементов кода на наличие в ней ошибок, для чего делят ее на порождающий полином и вычисляют результирующий остаток, если результирующий остаток равен нулю, то считают, что в сформированной принятой уникальной комбинации элементов кода нет ошибок, и передают ее потребителю, если значение результирующего остатка отлично от нуля, то ему в соответствие ставят номер разряда, в котором содержится ошибочное значение, в соответствии с предварительно рассчитанными проверочными данными, исправляют в сформированной принятой уникальной комбинации элементов кода ошибку, и передают ее потребителю.

Введение новых существенных признаков позволяет за счет выбора уникальных комбинаций кода, используемых для модуляции сигнальных символов, позволяет на приеме выявлять ошибку, вызванную воздействием мешающих излучений сторонних радиоэлектронных средств.

Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:

фиг. 1 - спектр сформированного на передающей стороне результирующего ЧМС, которому соответствует УКЭК 1001110, в границах частотного диапазона от F2 до F 1;

фиг. 2 - спектр принятого ЧМС, которому соответствует УКЭК 1001110, в границах частотного диапазона от F2 до F1, в условиях шумов, с рассчитанным значением порога G;

фиг. 3 - спектр принятого ЧМС, которому соответствует УКЭК 1001111, в границах частотного диапазона от F2 до F1, в условиях шумов и помех, с рассчитанным значением порога G. Спектр помехового сигнала, который привел к ошибке в последнем разряде УКЭК, обозначен как FX.

На фиг. 1-3 нумерация разрядов УКЭК ведется справа налево, начиная с верхней частоты F2 к нижней F1.

Реализация заявляемого способа в соответствии с фиг. 1 - фиг. 3 осуществляется следующим образом.

1. Выбирают код для кодирования поднесущих частот таким образом, чтобы разрядность кода соответствовала числу доступных для передачи поднесущих частот. Процедуры пункта 1 аналогичны процедурам, описанным в способе-прототипе.

2. Предварительно формируют порождающий полином для выбранного кода, а уникальную комбинацию элементов кода формируют путем перемножения информационного блока на порождающий полином. Процедуры формирования порождающего полинома для выбранного кода известны, например, см. (Золотарев В.В. Коды и кодирование. - М.: Знания, 1990. 64 с.).

Так, например, для кода Хемминга (7,4) порождающий полином будет иметь вид 1011, а для информационного блока 1010 УКЭК будет иметь вид 1001110. Здесь и далее все примеры приведены для кода Хемминга (7,4).

3. Ставят в соответствие каждому информационному блоку свою уникальную комбинацию элементов кода с постоянным весом, которая определяет передаваемый символ.

Битовый поток разбивают на информационные блоки в соответствии с возможностями кода. Например, для кода Хемминга (7,4) информационному блоку из 4 битов будет соответствовать УКЭК, состоящая из 7 разрядов.

Соответственно, в этом случае число доступных для передачи поднесущих частот должно быть равным 7.

Указанные процедуры известны, например, см. (Дворников С.В., Попов Е.А., Балыков А.А., Дворников С.С. Помехоустойчивость сигналов с перестановочной частотной модуляцией в каналах с постоянными параметрами при некогерентном приеме // Радиотехника. 2019. Т. 83. № 12 (20). С. 24-31.).

4. После чего формируют сигналы в виде АМК на длительности каждого передаваемого символа только на тех поднесущих частотах, которым соответствуют информационные единицы, определяемые уникальной комбинацией элементов кода.

Указанные процедуры известны, например, см. (Дворников С.В., Балыков А.А. Предложения по управлению скоростью передачи и помехоустойчивостью сигналов с перестановочной частотной модуляцией // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2020. Т. 14. № 6. С. 20-26.).

В качестве примера на фиг. 1 показан спектр сформированного на передающей стороне результирующего ЧМС, которому соответствует УКЭК 1001110, в границах частотного диапазона от F2 до F1. Здесь и далее границы поддиапазонов, в пределах диапазона от F2 до F1, в которых формируются АМЕС, показаны пунктиром. Наличие спектральных

компонент в пределах частотного поддиапазона соответствует информационному биту 1.

5. Причем формируют результирующий ЧМС путем аддитивного сложения колебаний всех поднесущих частот и передают его. Процедуры аддитивного сложения колебаний на поднесущих известны, например, см. (Дворников С.В., Овчинников Г.Р., Балыков А.А. Программный симулятор ионосферного радиоканала декаметрового диапазона // Информация и космос. 2019. № 3. С. 6-12.).

Процедуры передачи сформированного сигнала известны, например, см. (Патент РФ № 2450458 от 10.05.2012. Способ радиоподавления каналов связи).

6. А на приемном конце канала связи предварительно формируют проверочные данные, для чего в каждую УКЭК последовательно вносят одно ошибочное значение, начиная с младшего разряда, и вычисляют результирующие остатки путем деления каждой УКЭК с внесенным ошибочным значением на порождающий полином. Процедуры вычисления остатка для выбранного кода известны, например, см. (Золотарев В.В. Коды и кодирование. - М.: Знания, 1990. 64 с.). Например, для УКЭК 1001110, у которой ошибка внесена в первый справа разряд (самый младший разряд), при которой УКЭК принимает вид 1001111, результирующий остаток имеет вид 001. При этом в случае отсутствия ошибок в УКЭК, результирующий остаток имеет вид 000.

7. Ставят в соответствие номер разряда, в котором содержится ошибочное значение, и значение вычисленного результирующего остатка. Для рассмотренного в пункте 6 примера, младшему разряду соответствует результирующий остаток 001.

8. Принимают результирующий ЧМС на поднесущих частотах как независимые частотно-разнесенные АМК. Процедуры приема сигнала известны, например, см. (Патент на

изобретение RU 2382495 С1, от 20.02.2010. Способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов).

9. При этом оценивают качество сигнала на поднесущих частотах путем сравнения рассчитанного среднего значения мощности его спектральных компонент в пределах каждой из поднесущих частот с рассчитанной величиной среднего значения мощности сигнала на длительности принятого символа на всех поднесущих частотах, а решение о передаче информационной единицы в пределах каждой из поднесущих частот принимают в случае, если рассчитанное среднее значение мощности спектральных компонент в пределах поднесущей частоты превышает рассчитанную величину среднего значения мощности на длительности принятого символа на всех поднесущих частотах, а в противном случае принимают решение о передаче информационного нуля. Процедуры пункта 9 аналогичны процедурам, описанным в способе-прототипе.

В качестве примера, на фиг. 2 показан спектр принятого ЧМС в границах частотного диапазона от F2 до F1, в условиях шумов, с рассчитанным значением порога G.

10. Формируют принятую УКЭК по результатам принятия решения о переданном нуле или единицы на поднесущих в пределах символа. Принятую УКЭК формируют путем постановки единицы в том случае, если в пределах поддиапазона мощность спектральных составляющих превысила рассчитанное пороговое значение. В качестве примера, на фиг. 2 показан спектр принятого ЧМС, которому поставлено в соответствие УКЭК 1001110, в границах частотного диапазона от F2 до F 1.

11. Проверяют принятую УКЭК на наличие в ней ошибок, для чего делят ее на порождающий полином и вычисляют результирующий остаток, если результирующий остаток равен нулю, то считают, что в сформированной принятой УКЭК нет ошибок, и передают ее потребителю.

Процедуры п. 11 аналогичны процедурам п. 6. Для рассматриваемого примера на фиг. 2 сформированная принятая УКЭК равна 1001110. А вычисленный результирующий остаток будет иметь вид ООО, что указывает на равенство его нулю.

12. Если значение результирующего остатка отлично от нуля, то ему в соответствие ставят номер разряда, в котором содержится ошибочное значение, в соответствии с предварительно рассчитанными проверочными данными.

В качестве примера на фиг. 3 показан спектр принятого ЧМС, которому соответствует УКЭК 1001111, в границах частотного диапазона от F2 до F1, в условиях шумов и помех, с рассчитанным значением порога G. В данной УКЭК 1001111 содержится ошибка в младшем разряде, вызванная спектром помехового сигнала FX, содержащегося в пределах

поддиапазона, соответствующего младшему разряду. Для данной УКЭК 1001111 значение результирующего остатка отлично от нуля и равно 001, что позволяет поставить его в соответствие младшему разряду. То есть такой вид результирующего остатка указывает на наличие ошибки в младшем разряде УКЭК. Данные процедуры рассмотрены в п. 7.

13. Исправляют в сформированной принятой УКЭК ошибку, и передают ее потребителю (т.е. потребителю передают сформированную принятую УКЭК с исправленной ошибкой).

Исправление ошибки осуществляют заменой значения бита в соответствующем разряде.

Для примера, в УКЭК 1001111 исправленная версия будет иметь вид 1001110.

На основании вышеизложенного обеспечивается достижение технического результата изобретения.

В прототипе передача сигналов в условиях помех (сторонних излучений), находящихся в пределах полосы частот канала приема, приводит к возникновению ошибок. Применяемое в способе-прототипе техническое решение способно только обнаруживать сам факт наличия ошибки на длительности принятого сигнального символа.

Предлагаемый способ позволяет за счет выбора уникальных комбинаций кода, выявить поднесущую, в полосе частот которой содержится мешающее излучение сторонних радиоэлектронных средств и исправить возникающую ошибку.

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться для применения в помехозащищенных радиоэлектронных системах (РЭС), в том числе в системах радиосвязи. Техническим результатом является повышение помехозащищенности передачи и приема сигналов в условиях воздействия радиоизлучений сторонних РЭС, локализованных в полосе приема сигналов. Для этого формирование частотно-манипулированных сигналов в пределах, выделенных для передачи частотных интервалов, осуществляется в соответствии с уникальными доступными комбинациями выбранного кода, позволяющего исправлять ошибки, вносимые радиоизлучениями, создаваемыми другими РЭС в полосе частот формируемого сигнала. 3 ил.

Способ передачи и приема информации на основе частотно-манипулированных сигналов, заключающийся в том, что при формировании частотно-модулированного сигнала, подлежащего передаче, для поднесущих частот выбирают код для их кодирования таким образом, чтобы разрядность кода соответствовала числу доступных для передачи поднесущих частот, затем разбивают подлежащий передаче битовый поток на информационные блоки, ставят в соответствие каждому информационному блоку свою уникальную комбинацию элементов кода, которая определяет передаваемый символ, после чего формируют сигналы в виде амплитудно-манипулированных колебаний на длительности каждого передаваемого символа только на тех поднесущих частотах, которым соответствуют информационные единицы, определяемые уникальной комбинацией элементов кода, причем формируют результирующий частотно-манипулированный сигнал путем аддитивного сложения колебаний всех поднесущих частот и передают его, принимают результирующий частотно-манипулированный сигнал на поднесущих частотах как независимые частотно-разнесенные амплитудно-манипулированные колебания, при этом оценивают качество сигнала на поднесущих частотах путем сравнения рассчитанного среднего значения мощности его спектральных компонент в пределах каждой из поднесущих частот с рассчитанной величиной среднего значения мощности сигнала на длительности принятого символа на всех поднесущих частотах, а решение о передаче информационной единицы в пределах каждой из поднесущих частот принимают в случае, если рассчитанное среднее значение мощности спектральных компонент в пределах поднесущей частоты превышает рассчитанную величину среднего значения мощности на длительности принятого символа на всех поднесущих частотах, а в противном случае принимают решение о передаче информационного нуля, отличающийся тем, что предварительно формируют порождающий полином для выбранного кода информационных блоков, а уникальную комбинацию элементов кода формируют путем перемножения информационного блока на порождающий полином, а на приемном конце канала связи предварительно формируют проверочные данные, для чего в каждую уникальную комбинацию элементов кода последовательно вносят одно ошибочное значение, начиная с младшего разряда, и вычисляют результирующие остатки путем деления каждой уникальной комбинации элементов кода с внесенным ошибочным значением на порождающий полином, ставят в соответствие номер разряда, в котором содержится ошибочное значение, и значение вычисленного результирующего остатка, формируют принятую уникальную комбинацию элементов кода по результатам принятия решения о переданном нуле или единицы на поднесущих в пределах символа, проверяют принятую уникальную комбинацию элементов кода на наличие в ней ошибок, для чего делят ее на порождающий полином и вычисляют результирующий остаток, если результирующий остаток равен нулю, то считают, что в сформированной принятой уникальной комбинации элементов кода нет ошибок, и передают ее потребителю, если значение результирующего остатка отлично от нуля, то ему в соответствие ставят номер разряда, в котором содержится ошибочное значение, в соответствии с предварительно рассчитанными проверочными данными исправляют в сформированной принятой уникальной комбинации элементов кода ошибку и передают ее потребителю.