Способ передачи информации с использованием модуляции частотным сдвигом при наличии помех с неравномерной спектральной плотностью Российский патент 2023 года по МПК H04B1/10 

Способ относится к области радиосвязи, может быть использован в радиостанциях для организации обмена информацией при использовании модуляции частотным сдвигом в условиях воздействия помех с неравномерной спектральной плотностью.

Известен способ и устройство для адаптивной радиосвязи, описанные в патенте РФ № 2284659, H04B 7/005, в которых качество канала связи оценивают путем сравнения сигнала контрольной комбинации, уровень которого изменяют в заданных пределах, с тем же сигналом, искаженным шумами и помехами в месте приема. На каждой выделенной для связи частоте подсчитывают количество ошибок, определяют с какой максимальной скоростью передачи можно работать и выбирают для связи частоту, обеспечивающую максимальную скорость передачи при минимальном сигнале.

Недостатком этого технического решения является отсутствие адаптации к изменению помеховой обстановки, что приводит к снижению эффективности способа при работе радиосредств в условиях наличия помех с неравномерной спектральной плотностью.

Известна станция связи с адаптивной коммутацией каналов, описанная в патенте RU № 2594758, H04B 7/26, в которой осуществляют непрерывный анализ состояния всех каналов, выделенных для связи и хранения информации об этом, выделения для передачи, приема, анализа, совместной обработки принимаемых сигналов нескольких частотных каналов с максимальными отношениями сигнал/шум как в прямом направлении, так и в обратном направлении, формирования новых планов связи, передачи этой информации соответствующим абонентам системы, хранения ее до деградации параметров хотя бы одного из работающих радиоканалов и перехода на новый план связи в дальнейшем.

Недостатком данного устройства является снижение скорости передачи информации, а также недостаточно высокая эффективность в условиях наличия помех с неравномерной спектральной плотностью.

Известен способ многочастотной модуляции сигнала, описанный в патенте RU № 2565530, H04B 7/26, в котором одновременно передают несколько несущих частот, номера которых в течение каждого тактового интервала выбирают из множества N, и каждую из несущих частот в течение каждого тактового интервала дополнительно модулируют фазовой, амплитудной, либо широтной модуляцией, либо их комбинациями, создают сетку из N частот, в которой шаг сетки частот уменьшен по сравнению с шагом, необходимым для выполнения условия ортогональности в целое число раз, номера передаваемых в течение такта несущих частот определяют для сетки частот с уменьшенным шагом, а в случае невыполнения в конкретном тактовом интервале условий ортогональности несущие при передаче сдвигают на требуемое число шагов сетки частот с уменьшенным шагом в необходимую сторону для попадания в точки сетки, в которых обеспечена ортогональность сигналов. Недостатком способа является снижение скорости передачи информации и недостаточно высокая эффективность в условиях наличия помех с неравномерной спектральной плотностью.

Известен способ, описанный в патенте RU № 2755032, H04B 1/713, в котором осуществляется обмен информацией с использованием псевдослучайной перестройки рабочей частоты (ППРЧ), при этом в станциях используется любой известный алгоритм расчета значения оптимальных рабочих частот (ОРЧ). В случае обеспечения обмена информацией о выбранных ОРЧ станции осуществляют обмен на этих частотах. При этом продолжается работа датчиков случайных чисел, которые используются при работе в режиме ППРЧ, и обеспечивается поддержка их синхронной работы в станциях. Если обмен информацией на ОРЧ нарушается, то станции переходят в режим ППРЧ. Недостатком данного способа является то, что способ не позволяет оптимально выбирать частоты при использовании модуляции частотным сдвигом в условиях воздействия помех с неравномерным распределением мощности помехи по частотам.

Известен способ выделения сигнала с модуляцией частотным сдвигом с использованием квадратурных составляющих и компенсацией комбинационных составляющих, описанный в патенте RU № 2709182, H04B 1/10, недостатком которого является обеспечение передачи информации с заданным качеством на отдельных частотах, что приводит к снижению эффективности в условиях наличия помех с неравномерной спектральной плотностью.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является способ, который заключается в использовании модуляции с ортогональным частотным сдвигом (FSK) (мультиплексирование (уплотнение) с ортогональным частотным делением каналов (ОФДМ)) и выделения сигнала с использованием оптимального максимума правдоподобия детектора, описанный в книге «Прокис Джон, «Цифровая связь». Пер. с англ./Под ред. Д.Д. Кловского. – М.: Радио и связь. 2000, стр. 141, 208, 219-221, 593-596, принятый за прототип.

Способ-прототип заключается в следующем.

При использовании способа модуляции с частотным сдвигом формируют M ортогональных сигналов равной энергии. Данные сигналы различаются по частоте

Здесь: m=1,2,…,M;

0≤t ≤T;

ε – энергия сигнала;

T – период изменения сигнала, соответствующий минимальному значению частоты спектра сигнала;

f_c - частота сигнала;

Δf – частотный сдвиг между сигналами.

Эквивалентный низкочастотный сигнал определяют в виде

Эти формы сигналов характеризуются равной энергией и коэффициентом взаимной корреляцией, вещественная часть которого равна

Re (ρ_km)=0, когда Δf=1/(2T) и m≠k.

Поскольку случай │m-k│=1 соответствует соседним частотным интервалам, то Δf=1/(2T) представляет минимальную величину частотного разноса между смежными сигналами для ортогональности M сигналов.

На вход приемника поступает аддитивная смесь сигнала и помехи

где: U_s – сигнал, сформированный с использованием модуляции с частотным сдвигом; U_p – помеха.

После умножения на соответствующие опорные сигналы S_оп.i в блоках умножения и интегрирования интеграторами на выходах интеграторов образуется результат преобразования сигнала и помехи, т.е. умножения на опорный сигнал и интегрирования (корреляционные метрики):

где K_is, K_ip – коэффициенты преобразования сигнала и помехи, соответственно, зависящие от вида используемой системы ортогональных функций.

В устройстве выбора по максимуму выбирается сигнал, соответствующий наибольшей корреляционной метрике.

Недостатком способа-прототипа является недостаточно высокая эффективность в условиях наличия помех с неравномерной спектральной плотностью.

Задача предлагаемого способа – повышение эффективности связи при использовании модуляции частотным сдвигом в условиях наличия помех с неравномерной спектральной плотностью за счет использования групп частот для передачи информационных символов.

Для решения поставленной задачи в способе передачи информации с использованием модуляции частотным сдвигом при наличии помех с неравномерной спектральной плотностью, заключающийся в том, что формируют сигнал, состоящий из нескольких гармонических сигналов с различными частотами, с использованием модуляции с частотным сдвигом (FSK), при приеме сигнала, после его умножения на соответствующие опорные сигналы S_опi в блоках умножения и интегрирования интеграторами, на выходах интеграторов образуется результат преобразования сигнала и помехи, т.е. умножения на опорный сигнал и интегрирования (корреляционные метрики), согласно изобретению, рабочим частотам присваивают условные номера, информационный символ формируют в виде набора отдельных гармоник и/или N групп гармоник, i-ая группа состоит из K_i гармоник, каждая гармоника и каждая группа гармоник переносит один бит информации, после вхождения в связь и синхронизации генераторов псевдослучайной последовательности чисел (ПсПЧ) станции работают в режиме ППРЧ, при этом изменяют положение спектра сигнала, случайные числа используют для определения значения одной из частот, входящих в спектр сигнала,

в начале работы передачу информации осуществляют на отдельных частотах,

для всех частот в специально выделенном интервале времени, в котором отсутствует сигнал, рассчитывают корреляционные метрики шума, в интервале времени, в котором присутствует аддитивная смесь сигнала и шума, рассчитывают корреляционные метрики аддитивной смеси сигнала и шума, рассчитывают корреляционные метрики сигнала и отношения значений корреляционных метрик сигнала и шума (SNR – signal-to-noise ratio),

в интервале времени, отведенном для приема информации, решение о наличии сигнала для каждой частоты осуществляют по факту превышения рассчитанных значений SNR порогового значения,

в станции, осуществляющей подготовку информации для передачи, если существуют частоты, для которых значение SNR не превосходит заранее установленное пороговое значение, то данные частоты объединяют в группы, группы формируют путем включения частот в каждую группу так, что значения сумм SNR частот, входящих в одну группу, превосходят заранее установленное пороговое значение, если остаются частоты, не отобранные в группы, то их включают в сформированные группы следующим образом – в группы с минимальным суммарным значением SNR включают гармоники с максимальным значением SNR,

в интервале времени, отведенном для передачи информации, передают радиостанции, с которой ведется радиосвязь – другая станция, условные номера частот, отобранных в группы, и номера групп, в которые эти частоты включены, эту информацию передают способом, обеспечивающим доведение информации с вероятностью не ниже заданного уровня,

станция, получившая данную информацию в очередном цикле передачи-приема, передает кодовое слово – подтверждение о приеме этой информации способом, обеспечивающим доведение информации с вероятностью не ниже заданного уровня,

в случае если подтверждение о получении номеров групп и значений частот от другой станции не получено, станция продолжает работу с использованием текущего значения частот приема и частот, используемых при передаче информации, и продолжает передавать номера сформированных групп и значений частот, в них входящих,

если в процессе обмена информацией номера групп и значения частот изменяются, то передают новые номера групп и частот, в них входящих,

после того, как станция от другой станции получает подтверждение о том, что информация о номерах групп и значений частот, в них входящих, получена, станция через определенный заранее интервал времени осуществляет передачу различной информации на отдельных частотах и на группах частот, при этом на частотах, входящих в одну и ту же группу, передают одну и ту же информацию,

в очередном интервале времени, отведенном для передачи информации, другая станция принимает информацию на отдельных частотах и на частотах, входящих в группы, соответствующим образом,

решение о наличии сигнала для отдельных частот осуществляют по факту превышения рассчитанных значений SNR порогового значения, для каждой группы частот – по факту превышения суммы значений SNR частот, входящих в группы, соответствующего порогового значения.

Предлагаемый способ заключается в следующем.

Формируют сигнал, состоящий из нескольких гармонических сигналов, с использованием модуляции с частотным сдвигом (FSK). Число используемых частот N_f устанавливают заранее.

Рабочим частотам присваивают условные номера. Информационный символ формируют в виде набора отдельных частот и/или N групп гармоник, i-ая группа состоит из K_i гармоник. Каждая гармоника и каждая группа гармоник переносит один бит информации.

Число используемых групп гармоник – N определяют по результатам процесса отбора частот в группы.

После вхождения в связь и синхронизации генераторов ПсПЧ станции работают в режиме ППРЧ, при этом изменяют положение спектра сигнала. Случайные числа используют для определения значения одной из частот, входящих в спектр сигнала, например с минимальным значением. Значения остальных частот спектра сигнала рассчитывают путем увеличения значения частот на значение частотных сдвигов между соседними гармоническими сигналами.

В начале работы передачу информации осуществляют на отдельных частотах.

Для всех частот в специально выделенном интервале времени, в котором отсутствует сигнал, рассчитывают корреляционные метрики шума.

В интервале времени, в котором присутствует аддитивная смесь сигнала и шума, рассчитывают корреляционные метрики аддитивной смеси сигнала и шума (иллюстративное пояснение приведено на фиг. 1 – фиг. 2). Рассчитывают корреляционные метрики сигнала и отношения значений корреляционных метрик сигнала и шума (SNR – signal-to-noise ratio).

Корреляционные метрики сигнала рассчитывают по формуле (с использованием ф. (5) описания):

то есть

В интервале времени, отведенном для приема информации, решение о наличии сигнала для каждой частоты осуществляют по факту превышения рассчитанных значений SNR порогового значения.

Пороговое значение определяют, например, путем измерения корреляционных метрик для тестового сигнала, корреляционной метрики для шума, и последующего расчета порогового значения.

Расчет порогового значения может осуществляться, например, исходя из предположения, что входная аддитивная смесь сигнала и шума распределена по нормальному закону, при этом используют заданное значение вероятности обнаружения сигнала и ложной тревоги (см., например, «Основы теории радиотехнических систем». Учебное пособие. // В. И. Борисов, В. М. Зинчук, А. Е. Лимарев, Н. П. Мухин. Под ред. В. И. Борисова. Воронежский научно-исследовательский институт связи, 2004», стр. 66-67).

В станциях осуществляют анализ частот следующим образом.

Проверяют наличие частот, для которых значение отношения SNR не превосходит заранее установленное пороговое значение – неэффективные частоты. При наличии таких частот осуществляют объединение частот в группы так, что суммарные значения SNR, рассчитанные для групп частот, превосходят заранее установленные пороговые значения.

Данные пороговые значения для различного числа частот в группах определяют путем математического моделирования. При этом может, например, использоваться методика, приведенная в книге «Основы теории радиотехнических систем». Учебное пособие. // В. И. Борисов, В. М. Зинчук, А. Е. Лимарев, Н. П. Мухин. Под ред. В. И. Борисова. Воронежский научно-исследовательский институт связи, 2004», стр. 66-67. При проведении расчетов в качестве исходных данных используют пороговое значение вероятности доведения информации. Это пороговое значение задают на этапе разработки радиостанций исходя из их функционального назначения.

Отбор частот в группы, для которых значение отношения SNR не превосходит заранее установленное пороговое значение, может осуществляться с использованием следующего алгоритма.

1. Берут частоту с максимальным значением SNR. Рассчитывают разность между пороговым значением, определенным для двух частот, и данным значением SNR. Находят частоту с максимально близким значением SNR к этой разности, и так, чтобы суммарное значение SNR этих частот превосходило соответствующее пороговое значение. Запоминают номера частот, отобранных в группу, и номер группы, из списка неэффективных частот удаляют отобранные частоты.

2. Повторяют процесс для других частот.

3. Если не удается найти частоту, обеспечивающую выполнение условия, приведенного в п. 1 алгоритма, то в группу включают очередную частоту с максимальным значением SNR. Из списка неэффективных частот удаляют данную частоту. Рассчитывают суммарное значение SNR частот группы. Осуществляют поиск очередной частоты для включения в группу по методике, приведенной в п. 1 алгоритма, при этом используют пороговое значение, соответствующее количеству частот в группе.

4. Если в процессе формирования последней вновь сформированной группы будут использованы все оставшиеся частоты и сумма значений SNR частот этой группы не превышает соответствующий порог, то данные частоты распределяют по сформированным группам с соблюдением условия включения в группу с минимальным суммарным значением SNR частоты с максимальным значением SNR.

В интервале времени, отведенном для передачи информации, передают радиостанции, с которой ведется радиосвязь – другая станция, условные номера отобранных частот и номера групп, в которые эти частоты включены. Данную информацию передают способом, обеспечивающим доведение информации с вероятностью не ниже заданного уровня, например, путем использования соответствующего способа кодирования.

В случае если подтверждение о получении номеров группы и значений частот от другой станции не получено, станция продолжает работу с использованием текущего значения частот приема и частот, используемых при передаче информации, и продолжает передавать номера сформированных групп и значений частот, в них входящих. Если в процессе передачи данной информации номера групп и значения частот изменяются, то передают новые номера групп и новые значения частот.

После того как станция от другой станции получает подтверждение о том, что информация о номерах групп и значениях частот получена, станция через определенный заранее интервал времени осуществляет передачу на этих частотах в очередном интервале времени, отведенном для передачи информации. Другая станция принимает информацию на этих частотах.

Станция осуществляет передачу на частотах, объединенных в новые группы в очередном цикле передачи-приема, который следует за циклом передачи-приема, в котором получено подтверждение о том, что информация о номерах групп и значениях частот получена другой станцией.

Ниже приведен пример распределения шести частот по двум группам частот (иллюстративное пояснение приведено на фиг. 3).

В таблице приведены значения отношений амплитуд сигнала и помехи для используемых частот.

Условные обозначения F₁ F₂ F₃ F₄ F₅ F₆ Значения SNR 1 2 3 4 5 6

При использовании описанного алгоритма получено следующее распределение частот по группам.

Группа №1: F₁, F₃, F₆.

Группа №2: F₂, F₄, F₅.

При этом средние значения SNR для групп будут следующие.

Группа №1 – 3,33.

Группа №2 – 3,67.

При традиционном распределении частот по группам, например, по возрастанию номеров, результат распределение частот по группам будет следующим.

Группа №1: F₁, F₂, F₃.

Группа №2: F₄, F₅. F₆.

При этом средние значения SNR для групп будут следующие.

Группа №1 – 2.

Группа №2 – 5.

Таким образом, при осуществлении обмена информацией с использованием способа передачи информации на частотах, входящих в группу частот, в условиях воздействия помех с неравномерной спектральной плотностью, неравномерность среднего значения SNR для частот группы, снижается более чем в два раза.

Структурная схема устройства для реализации предлагаемого способа приведена на фиг. 4, где обозначено:

1 – кодер;

2 – блок модуляторов;

3.1, 3.2 – первый и второй смесители;

4.1, 4.2 – первый и второй полосовые фильтры (ПФ);

5 – передатчик;

6 – генератор сетки частоты (ГСЧ);

7.1, 7.2 – первый и второй синтезаторы частот (СЧ);

8 – генератор псевдослучайной последовательности чисел (ПсПЧ);

9 – антенна;

10 – усилитель промежуточной частоты (УПЧ);

11 – широкополосный фильтр (ШпФ);

12 – демодулятор;

13 – устройство управления;

14 – усилитель высоких частот (УВЧ);

15 – устройство синхронизации;

16 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

17 – фильтр низких частот (ФНЧ);

18 – усилитель нижних частот (УНЧ);

19 – детектор автоматической регулировки усиления (АРУ);

20 – декодер;

21 – вычислительное устройство (ВУ).

Устройство содержит последовательно соединенные кодер 1, блок модуляторов 2, первый смеситель 3.1, первый ПФ 4.1, передатчик 5, и антенну 9, вход-выход которой является входом-выходом устройства, при этом выходы генератора сетки частот 6 с первого по n-ый соединены соответственно с третьего по (n+2)-ой входами блока модуляторов 2. Выход генератора ПсПЧ 8 соединен с входами первого 7.1 и второго 7.2 синтезаторов частот, выходы которых соединены со вторыми входами первого 3.1 и второго 3.1 смесителей соответственно. Выход антенны 9 через последовательно соединенные ШпФ 11, УВЧ 14, второй смеситель 3.2 и УПЧ 10 соединен с входом второго ПФ 4.2, выход которого соединен с первым входом демодулятора 12 и входом детектора АРУ 19. При этом выход детектора АРУ 19 через последовательно соединенные УНЧ 18 и ФНЧ 17 соединен со вторым входом УПЧ 10. Первый выход демодулятора 12 через последовательно соединенные устройство синхронизации 15 и АЦП 16 подключен к третьему входу устройства управления 13. Второй выход демодулятора 12 шиной соединен с первыми входами декодера 20 и вычислительного устройства 21, первый выход которого является выходом всего устройства, а второй выход вычислительного устройства 21 соединен со вторым входом устройства управления 13, четвертый выход которого соединен с третьим входом вычислительного устройства 21, а его второй вход подсоединен к выходу декодера 20. Кроме того, первый выход устройства управления 13 соединен со входом кодера 1. Второй выход устройства управления 13 соединен со вторым входом блока модуляторов 2. Третий выход устройства управления 13 соединен со вторым входом генератора ПсПЧ 8. Четвертый выход устройства управления 13 соединен с третьим входом вычислительного устройства 21.

Устройство работает следующим образом.

В станции формируют сигнал, состоящий из нескольких гармонических сигналов, которые генерируют в ГСЧ 6.

Число используемых частот N_f устанавливают заранее.

Устанавливают заранее значения частотных сдвигов между соседними сигналами (поднесущими) в соответствии с используемым способом модуляции.

После установления связи и синхронизации станций, в соответствии со случайными числами, которые вырабатываются генератором ПсПЧ 8, в первом 7.1 и во втором СЧ 7.2 устанавливают соответствующие значения частот, в соответствии с которыми частоты сигнала повышают или понижают в первом 3.1 и во втором 3.2 смесителях, за счет умножения сигналов на сигналы, поступающие с первого 7.1 и со второго 7.2 СЧ соответственно.

Первое случайное число вырабатывается генератором ПсПЧ 8 в соответствии с управляющим сигналом, который поступает на его вход с третьего выхода устройства управления 13. Последующие случайные числа вырабатываются генератором ПсПЧ 8 с заданным темпом.

На первый вход устройства управления 13 подают пользовательскую информацию с внешнего устройства (на фиг. 4 не показано).

В ВУ 21 осуществляют нумерацию частот, например, по возрастанию значений частот, в процессе установки программного обеспечения в радиостанцию.

В момент включения в ВУ 21 служебную информацию – номера частот с первого выхода ВУ 21 подают на второй вход устройства управления 13, где формируют пакет данных и подают его с первого выхода устройства управления 13 на вход кодера 1. В кодере 1 информацию кодируют в соответствии с используемым способом кодирования. В пакеты данных включают установленное число информационных символов.

С выхода кодера 1 информацию подают на первый вход блока модуляторов 2.

В блоке модуляторов 2 в соответствии с информацией, в том числе о номерах групп гармоник и номерах частот, в них входящих, которую подают на его второй вход со второго выхода устройства управления 13, пакеты информации подают на соответствующие модуляторы. В этих модуляторах гармонические сигналы, которые подают с ГСЧ 6 на входы с третьего по (n+2)-ой модулятора 2 модулируют в соответствии с используемым способом модуляции.

Структурная схема устройства, с использованием которого может быть реализован блок модуляторов 2, приведена на фиг. 5, где обозначено:

2.1 – вычислительное устройство;

2.2.1 – 2.2.n – модуляторы с первого по n-ый.

Устройство содержит вычислительное устройство 2.1 и модуляторы с первого 2.2.1 по n-ый 2.2.n. С первого по n-ый выходы вычислительного устройства 2.1 соединены с входами соответствующих модуляторов с первого 2.2.1 по n-ый 2.2.n. Вторые входы модуляторов с первого 2.2.1 по n-ый 2.2.n являются с третьего по (n+2)-ой входами блока модуляторов 2 соответственно. Первый вход вычислительного устройства 2.1 является первым входом блока модуляторов 2, второй вход вычислительного устройства 2.1 является вторым входом блока модуляторов 2. Выходы модуляторов с первого 2.2.1 по n-ый 2.2.n объединены и являются выходом модулятора 2.

Блок модуляторов 2 работает следующим образом. На первый вход блока модуляторов 2 с выхода кодера 1 и соответственно на второй вход вычислительного устройства 2.1 подают информацию в виде сформированных пакетов. Служебную информацию – номера групп и номера частот, входящих в группы, подают на второй вход модулятора 2 и, соответственно – на второй вход вычислительного устройства 2.1 со второго выхода устройства управления 13. В блоке модуляторов 2 пользовательскую информацию в виде сформированных пакетов подают на соответствующие модуляторы с первого 2.2.1 по n-ый 2.2.n в соответствии с информацией о номерах групп и номерах частот, входящих в группы, которую подают на второй вход блока модуляторов 2.

Например, если сформированы группы частот:

группа №1: F₁, F₃, F₆;

группа №2: F₂, F₄, F₅,

то пакет № 1 подают на первый 2.2.1, третий 2.2.3 и шестой модуляторы 2.2.6, пакет № 2 подают на второй 2.2.2, четвертый 2.2.4 и пятый 2.2.5 модуляторы.

После чего промодулированные сигналы подают в первый смеситель 3.1, где значения частот сигнала повышают или понижают, за счет умножения этих сигналов на сигнал, поступающий с первого СЧ 7.1, значение частоты которого установлено в соответствии со случайным числом, сформированным генератором ПсПЧ 8.

Сигнал с выхода первого смесителя 3.1 подают в первый ПФ 4.1, где его фильтруют.

Затем сигнал подают в передатчик 5, где его усиливают и фильтруют соответствующим образом. Сформированный сигнал через антенну 9 излучают в пространство.

В интервале времени, предназначенном для приема информации, принятый сигнал с выхода антенны 9 подают в ШпФ 11, где его фильтруют. Затем сигнал усиливают в УВЧ 14. После чего частоту сигнала повышают или понижают во втором смесителе 3.2, за счет умножения этого сигнала на сигнал, поступающий со второго СЧ 7.2, значение частоты которого установлено в соответствии со случайным числом, сформированным генератором ПсПЧ 8.

С выхода второго смесителя 3.2 сигнал подают в УПЧ 10, где его усиливают до необходимого уровня.

Коэффициент усиления УПЧ 10 определяют с использованием системы АРУ, которая включает детектор АРУ 19, УНЧ 18 и ФНЧ 17 (см., например, Максимов М.В., Бобнев М.П., Кривицкий Б.Х., и др. «Защита от радиопомех», изд. «Сов. радио», 1976 г., стр. 197, 198).

Сигнал с выхода УПЧ 10 подают во второй ПФ 4.2, где его фильтруют. После чего сигнал подают в демодулятор 12 и в детектор АРУ 19.

Сигнал, продетектированный в детекторе АРУ 19, усиливают в УНЧ 18 и фильтруют ФНЧ 17. Напряжение с выхода ФНЧ 17 подают на второй вход УПЧ 10 и тем самым изменяют его коэффициент усиления до необходимого уровня. Усилитель с изменяемым коэффициентом усиления может быть выполнен, например, способом, описанным в патенте RU 2258309 H04B/005 «Схемы передатчика для систем связи».

В демодуляторе 12 осуществляют демодуляцию сигнала в соответствии с используемым видом модуляции.

Структурная схема устройства, с использованием которого может быть реализован демодулятор 12, приведена на фиг. 6, где обозначено:

12.1.1 – 12.1.n – генераторы опорных напряжений (ГОН) с первого по n-ый;

12.2.1 – 12.2.n – блоки умножения с первого по n-ый;

12.3.1 – 12.3.n – интеграторы с первого по n-ый;

12.4.1 – 12.4.n – аналого-цифровые преобразователи (АЦП) с первого по n-ый.

Устройство содержит n параллельных линеек, каждая из которых состоит из соответствующих, последовательно соединенных блока умножения 12.2, интегратора 12.3 и АЦП 12.4, причем первые входы n блоков умножения 12.2.1 – 12.2.n объединены и являются первым входом демодулятора 12. Входы n генераторов опорных напряжений 12.1.1 – 12.1.n объединены и являются вторым входом демодулятора 12. Выходы n ГОН 12.1.1 – 12.1.n соединены со вторыми входами (входами опорного напряжения) n блоков умножения 12.2.1 – 12.2.n соответственно. Выходы n интеграторов 12.3.1 – 12.3.n объединены и являются первым выходом демодулятора 12. Выходы n АЦП 12.4.1 –12.4.n объединены в шину данных и является вторым выходом демодулятора 12.

Демодулятор 12 работает следующим образом.

Опорные частоты в ГОН 12.1.1 – 12.1.n формируют с теми же значениями, что и гармонические сигналы.

Принятую аддитивную смесь сигнала и помехи подают на первые входы блоков умножения 12.1.1 – 12.1.n, на вторые входы которых подают соответствующие опорные напряжения, например,

U_оп1=sin(x₁);

U_опn=sin(x_n).

Управляющее напряжение подают с пятого выхода устройства управления 13 на второй вход демодулятора 12, то есть на входы ГОН 12.1.1 – 12.1.n, и тем самым инициируют их работу.

После умножения сигнала на соответствующие опорные сигналы S_оп.i в блоках умножения 12.2.1 – 12.2.n и интегрирования интеграторами 12.3.1 – 12.3.n на выходах интеграторов 12.3.1 – 12.3.n образуется результат преобразования сигнала и помехи, т.е. умножения на опорный сигнал и интегрирования (корреляционные метрики).

Полученные сигналы преобразуют в цифровой вид в соответствующих АЦП 12.4.1 – 12.4.n. Данные сигналы в цифровом виде подают на второй выход демодулятора 12, затем по шине данных их подают в декодер 20.

С выходов интеграторов 12.3.1 – 12.3.n (первого выхода демодулятора) сигнал в аналоговом виде подают в устройство синхронизации 15, выполненное, например, как устройство, описанное в учебном пособии «Основы теории радиотехнических систем. Учебное пособие. // В. И. Борисов, В. М. Зинчук, А. Е. Лимарев, Н. П. Мухин. Под ред. В. И. Борисова. Воронежский научно-исследовательский институт связи, 2004», стр. 222, 223.

Устройство синхронизации 15 выполнено в виде устройства, структурная схема которого приведена на фиг. 7 (см. «Основы теории радиотехнических систем. Учебное пособие. // В. И. Борисов, В. М. Зинчук, А. Е. Лимарев, Н. П. Мухин. Под ред. В. И. Борисова. Воронежский научно-исследовательский институт связи, 2004», стр. 222, 223), где обозначено:

15.1 – схема регистрации;

15.2 – фазовый дискриминатор (ФД);

15.3 – интегратор;

15.4 – преобразователь напряжения;

15.5 – генератор тактовых импульсов (ГТИ).

Устройство синхронизации 15 содержит схему регистрации 15.1 и фазовый дискриминатор 15.2, первые входы которых объединены и являются входом устройства синхронизации 15. При этом выход фазового дискриминатора 15.2 через последовательно соединенные интегратор 15.3 и преобразователь напряжения 15.4 соединен с входом генератора тактовых импульсов 15.5, первый выход которого соединен со вторым входом схемы регистрации 15.1. Второй выход ГТИ 15.5 соединен со вторым входом фазового дискриминатора 15.2. Выход схемы регистрации 15.1 является выходом устройства регистрации 15.

Устройство синхронизации 15 работает следующим образом.

В режиме слежения за фазой сигнал с выхода демодулятора 12 подают в фазовый дискриминатор 15.2, на второй вход которого подают сигналы с ГТИ 15.5, управляемого напряжением. Фазовый дискриминатор 15.2 вырабатывает напряжение (напряжение ошибки), знак и амплитуда которого пропорциональна знаку и величине рассогласования фаз (времени) между тактовыми импульсами ГТИ 15.5 и принимаемыми символами. Символ, в данном случае, представляет собой сигнал установленной заранее длительности с полностью известными параметрами, кроме его времени прихода (фазы). Напряжение, поступающее с выхода фазового дискриминатора 15.2, усредняют в интеграторе 15.3 и формируют с его использованием управляющее напряжение в преобразователе напряжения 15.4 таким образом, чтобы рассогласование фаз уменьшилось до минимума. Напряжение с выхода преобразователя напряжения 15.4 поступает в ГТИ 15.5, где формируют соответствующие импульсы. На выход схемы регистрации 15.1 поступают символы после того, как процесс синхронизации завершают. Схема регистрации 15.1 может быть выполнена, например, в виде электронного ключа, который открывают напряжением, поступающим с ГТИ 15.6. В данном случае преобразователь напряжения 15.4 преобразует напряжение, которое изменяется в пределах от U₁ до U₂, в напряжение, которое изменяется соответственно в пределах от U₃ до U₄ по определенной функциональной зависимости.

Сигналы в цифровом виде с второго выхода демодулятора 12 подают по шине данных в декодер 20, где принятую служебную и пользовательскую информацию декодируют соответствующим образом.

Декодированную информацию по шине данных подают на первый вход ВУ 21. В ВУ 21 с использованием пользовательской информации и информации о распределении частот по группам определяют, приняты или не приняты сигналы, которые были переданы на отдельных частотах и на частотах каждой группы – вторичное декодирование. В данном процессе используют информацию о распределении частот по группам, которая была получена в предыдущем интервале приема. Определение факта передачи сигнала осуществляют путем сравнения суммарного значения SNR для сигналов, переданных на частотах группы, с соответствующим порогом.

Пользовательскую информацию, декодированную таким образом, с первого выхода ВУ 21 подают на выход устройства.

С выхода устройства синхронизации 15 сигнал подают на вход АЦП 16. С его выхода сигнал в цифровой форме подают на третий вход устройства управления 13, где формируют сигнал, синхронизированный с входным сигналом.

Данный сигнал с четвертого выхода устройства управления 13 подают на третий вход ВУ 21. В ВУ 21 при получении данного управляющего сигнала осуществляют расчет для всех частот значений SNR с использованием значений корреляционных метрик, которые подают на второй вход ВУ 21 по шине данных с демодулятора 12.

Так же в ВУ 21 с использованием рассчитанных значений SNR осуществляют отбор частот в группы по алгоритму, описанному на стр. 9 описания. Результат отбора частот подают с первого выхода ВУ 21 на второй вход устройства управления 13, где служебную и пользовательскую информацию объединяют соответствующим образом в информационные пакеты и подают с первого выхода устройства управления 13 на вход кодера 1.

С третьего выхода устройства управления 13 на вход генератора ПсПЧ 8 подают в соответствии с установленным временным режимом смены частот при работе в режиме ППРЧ управляющий сигнал в цифровом виде, в соответствии с которым в генераторе ПсПЧ 8 формируют очередное случайное число.

Генератор ПсПЧ 8 выполнен в виде вычислительного устройства, в котором по каким-либо алгоритмам, рассчитываются значения случайных чисел (см., например, «Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью», В.И. Борисов, В. М. Зинчук, А. Е. Лимарев, Н. П. Мухин, Г.С. Нахмансон, под ред. члена – корреспондента РАН В. И. Борисова. М. «Радио и связь», 2003, стр. 32-52).

Устройство управления 13 может быть выполнено в виде процессора или в виде программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС).

Генератор ПсПЧ 8, вычислительное устройство 2.1, устройство управления 13, могут быть выполнены, например, в виде единого микропроцессорного устройства с соответствующим программным обеспечением, например, процессора серии TMS320VC5416 фирмы Texas Instruments, или в виде программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), с соответствующим программным обеспечением, например ПЛИС XCV400 фирмы Xilinx.

АЦП с первого 12.4.1 по n-ый 12.4.n могут быть выполнены, например, на микросхеме AD7495BR фирмы Analog Devices.

Таким образом, описанное устройство позволяет реализовать способ передачи информации с использованием модуляции частотным сдвигом при наличии помех с неравномерной спектральной плотностью, который обеспечивает обмен информацией с использованием групп рабочих частот, что позволяет и повысить скорость передачи информации при наличии помех с неравномерной спектральной плотностью.

Способ относится к радиотехнике и может найти применение в средствах радиосвязи. Технический результат - повышение эффективности связи при использовании модуляции частотным сдвигом в условиях наличия помех с неравномерной спектральной плотностью за счет использования групп частот для передачи информационных символов. Это достигается тем, что в способе передачи информации с использованием модуляции частотным сдвигом, который заключается в том, что при приеме сигнала, после его умножения на соответствующие опорные сигналы и интегрирования, на выходах интеграторов образуется результат преобразования сигнала и помехи. В интервалах времени, предназначенных для приема информации, рассчитывают корреляционные метрики шума, аддитивной смеси сигнала и шума и сигнала для всех частот и отношения значений корреляционных метрик сигнала и шума (SNR). Отбор частот в группы осуществляют для гармоник, для которых значение SNR не превосходит заранее установленное пороговое значение. Решение о наличии сигнала для отдельных частот осуществляют по факту превышения рассчитанных значений SNR порогового значения, для каждой группы частот – по факту превышения суммы значений SNR частот соответствующего порогового значения. 7 ил., 1 табл.

Способ передачи информации с использованием модуляции частотным сдвигом при наличии помех с неравномерной спектральной плотностью, заключающийся в том, что формируют сигнал, состоящий из нескольких гармонических сигналов, с использованием модуляции с частотным сдвигом (FSK), при приеме сигнала, после его умножения на соответствующие опорные сигналы S_оп.i в блоках умножения и интегрирования интеграторами на выходах интеграторов образуется результат преобразования сигнала и помехи, т.е. умножения на опорный сигнал и интегрирования - корреляционные метрики, отличающийся тем, что рабочим частотам присваивают условные номера, информационный символ формируют в виде набора отдельных гармоник и/или N групп гармоник, i-ая группа состоит из K_i гармоник, каждая гармоника и каждая группа гармоник переносит один бит информации;

после вхождения в связь и синхронизации генераторов псевдослучайной последовательности чисел (ПсПЧ) станции работают в режиме псевдослучайной перестройки рабочей частоты (ППРЧ), при этом изменяют положение спектра сигнала, случайные числа используют для определения значения одной из частот, входящих в спектр сигнала, в начале работы передачу информации осуществляют на отдельных частотах;

для всех частот в интервале времени, в котором отсутствует сигнал, рассчитывают корреляционные метрики шума, в интервале времени, в котором присутствует аддитивная смесь сигнала и шума, рассчитывают корреляционные метрики аддитивной смеси сигнала и шума, рассчитывают корреляционные метрики сигнала и отношения значений корреляционных метрик сигнала и шума (SNR - signal-to-noise ratio);

в интервале времени, отведенном для приема информации, решение о наличии сигнала для каждой частоты осуществляют по факту превышения рассчитанных значений SNR порогового значения;

в станции, осуществляющей подготовку информации для передачи, если существуют частоты, для которых значение SNR не превосходит заранее установленное пороговое значение, то данные частоты объединяют в группы так, что значения сумм SNR частот, входящих в одну группу, превосходят заранее установленное пороговое значение, если остаются частоты, не отобранные в группы, то их включают в сформированные группы следующим образом - в группы с минимальным суммарным значением SNR включают гармоники с максимальным значением SNR,

в интервале времени, отведенном для передачи информации, передают радиостанции - другой станции -, с которой ведется радиосвязь, условные номера частот, отобранных в группы, и номера групп, в которые эти частоты включены;

станция, получившая данную информацию в очередном цикле передачи-приема, передает подтверждение о приеме этой информации;

в случае если подтверждение о получении номеров групп и значений частот от другой станции не получено, станция продолжает работу с использованием текущего значения частот приема и частот, используемых при передаче информации, и продолжает передавать номера сформированных групп и значений частот, в них входящих;

если в процессе обмена информацией номера групп и значения частот изменяются, то передают новые номера групп и частот, в них входящих,

после того, как станция от другой станции получает подтверждение о том, что информация о номерах групп и значений частот, в них входящих, получена, станция через определенный заранее интервал времени осуществляет передачу информации на отдельных частотах и на группах частот, при этом на частотах, входящих в одну и ту же группу, передают одну и ту же информацию;

в очередном интервале времени, отведенном для передачи информации, другая станция принимает информацию на отдельных частотах и на частотах, входящих в группы, соответствующим образом, решение о наличии сигнала для отдельных частот осуществляют по факту превышения рассчитанных значений SNR порогового значения, для каждой группы частот - по факту превышения суммы значений SNR частот, входящих в группы, соответствующего порогового значения.