СПОСОБ ПАКЕТНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ШУМОПОДОБНЫМИ ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННЫМИ СИГНАЛАМИ Российский патент 2023 года по МПК H04B1/69 

Изобретение относится к области радиотехники и может найти применение в системах помехозащищенной пакетной передачи данных.

Основной задачей, которую приходится решать при проектировании таких систем, является сокращение времени передачи данных при одновременном обеспечении высокой достоверности их приема в условиях воздействия как естественных помех, так и помех от средств радиоэлектронного подавления.

Среди известных методов повышения помехоустойчивости систем связи наибольшее распространение получили метод скачкообразной перестройки частоты (frequency hopping, FH) и метод прямой последовательности (direct sequence, DS) [1]. В отечественной литературе сигналы, формируемые методом DS, называют шумоподобными (широкополосными) фазоманипулированными сигналами (ШПС). Методы их формирования и приема достаточно хорошо исследованы. Им посвящено большое количество научных публикаций, например [2], и патентов [3].

Большинство известных систем связи обладают низкой скоростью передачи информации, так как используют двоичные алфавиты сигналов [4]. В некоторых патентах [5] увеличение скорости передачи информации достигается за счет использования алфавитов сигналов большого объема, однако при этом снижается помехоустойчивость системы, в том числе за счет неполного использования мощности сигнала для передачи информации.

Целью изобретения является повышение скорости передачи данных при обеспечении высокой помехоустойчивости. Достигаемый при использовании изобретения результат – сокращение времени передачи данных.

Наиболее близким по количеству совпадающих признаков к заявляемому способу является способ формирования шумоподобных фазоманипулированных сигналов, описанный в [6].

Согласно этому способу в передающем устройстве выполняют следующие операции:

- Формируют сигналы несущей и тактовой частот.

- Из сигнала тактовой частоты формируют двоичные квазиортогональные ПСП, синхронизирующую и информационную, причем синхронизирующая ПСП является М – последовательностью, а информационная ПСП – также М – последовательность, но укороченная или удлиненная на один элемент.

- Периодически с периодом, равным произведению числа элементов синхронизирующей ПСП, числа элементов информационной ПСП и длительности периода тактовой частоты, осуществляют фазирование синхронизирующей ПСП с информационной ПСП, то есть устанавливают генераторы ПСП в начальные фиксированные состояния.

- На каждом периоде повторения информационной ПСП формируют модулированную ПСП путем циклического сдвига информационной ПСП с неизмененной длиной на количество элементов, определяемое передаваемым информационным символом, и дополнительного сложения по модулю два с еще одним битом информации. Полученную последовательность, так же, как и информационную ПСП, укорачивают или удлиняют на один элемент.

- Суммируют по модулю два модулированную ПСП и задержанную на целое число периодов тактовой частоты синхронизирующую ПСП, а результат мажоритарно суммируют с синхронизирующей ПСП и информационной ПСП. Под мажоритарным сложением логических сигналов понимается операция вычисления мажоритарной функции «два из трех».

- Полученной двоичной последовательностью манипулируют по фазе сигнал несущей частоты.

- Суммируют по модулю два синхронизирующую ПСП и информационную ПСП, а полученной двоичной последовательностью осуществляют дополнительный сдвиг фазы фазоманипулированного сигнала на ноль или девяносто градусов.

Недостатком способа-прототипа является неэффективное использование мощности передаваемого сигнала. Только половина этой мощности используется для передачи данных, поэтому существует возможность увеличения скорости передачи данных за счет использования всей мощности сигнала.

Для решения поставленной в изобретении задачи в способе пакетной передачи данных шумоподобными фазоманипулированными сигналами, заключающемся в том, что формируют сигналы несущей и тактовой частот, из сигнала тактовой частоты формируют двоичные квазиортогональные псевдослучайные последовательности, синхронизирующую (СП) и информационную (ИП), причем СП является М – последовательностью, а ИП образована из М – последовательности добавлением одного постоянного элемента, на каждом периоде повторения ИП формируют модулированную последовательность путем циклического сдвига М – последовательности, из которой образована ИП, на количество элементов, определяемое очередным передаваемым информационным символом, и добавлением одного постоянного элемента, согласно изобретению в начале передачи каждого пакета данных фазируют между собой СП и ИП, а также передают синхросигнал, для формирования которого сигнал несущей частоты сдвигают по фазе на девяносто градусов, манипулируют по фазе элементами СП и суммируют с сигналом несущей частоты, манипулированным по фазе элементами ИП, длительность синхросигнала выбирают кратной периоду повторения ИП, а при передачи данных СП удлиняют на один постоянный элемент и формируют дополнительную последовательность (ДП) путем циклического сдвига неудлиненной СП на фиксированное количество элементов и добавлением одного постоянного элемента, а также на каждом периоде повторения ИП формируют дополнительную модулированную последовательность путем циклического сдвига М – последовательности, из которой образована ИП, на количество элементов, определяемое очередным передаваемым информационным символом, и добавлением одного постоянного элемента, один из сигналов несущей частоты манипулируют по фазе последовательностью сумм по модулю два элементов модулированной последовательности и СП, а второй сигнал несущей частоты манипулируют по фазе последовательностью сумм по модулю два элементов дополнительной модулированной последовательности и ДП и суммируют оба фазоманипулированных сигнала.

Способ пакетной передачи данных шумоподобными фазоманипулированными сигналами заключается в последовательном выполнении следующих операций:

- Формируют сигнал тактовой частоты и два сигнала несущей частоты, сдвинутые между собой по фазе на девяносто градусов.

- Из сигнала тактовой частоты формируют две двоичные квазиортогональные псевдослучайные последовательности, синхронизирующую (СП) и информационную (ИП). СП является М – последовательностью, а ИП образована из М – последовательности добавлением одного постоянного элемента.

- В начале передачи каждого пакета данных фазируют между собой СП и ИП и передают синхросигнал.

- Для формирования синхросигнала один из сигналов несущей частоты манипулируют по фазе элементами СП, а второй – элементами ИП и суммируют оба фазоманипулированных сигнала.

- Длительность синхросигнала выбирают кратной периоду повторения ИП.

- При передаче данных СП удлиняют на один постоянный элемент и формируют дополнительную последовательность (ДП) путем циклического сдвига неудлиненной СП на фиксированное количество элементов и добавлением одного постоянного элемента.

- На каждом периоде повторения ИП формируют две модулированные последовательности (МП1 и МП2), путем циклического сдвига М – последовательности из которой образована ИП на количество элементов, определяемое двумя передаваемыми информационными символами и добавлением одного постоянного элемента.

- Один из сигналов несущей частоты манипулируют по фазе последовательностью сумм по модулю два элементов МП1 и СП, а второй-последовательностью сумм по модулю два МП2 и ДП.

- Суммируют оба фазоманипулированных сигнала.

За счет передачи двух информационных символов за один период повторения ИП скорость передачи информации увеличивается почти в два раза. Более точно, если количество элементов ИП равно N=2ⁿ , то разрядность информационного символа не превышает n. Максимальная скорость передачи данных способом-прототипом равна (бит/с), где T(c) – длительность периода повторения ИП. Максимальная скорость передачи данных заявляемым способом равна (бит/с).

Например, при = 9 увеличение скорости передачи составляет

Рассмотрим математическое представление синхросигнала:

где – амплитуда сигнала;

– несущая частота;

– СП;

– ИП.

Как видно, синхросигнал представляет собой сумму двух сигналов несущей частоты, сдвинутых между собой по фазе на девяносто градусов, один из которых манипулирован по фазе периодически повторяющейся СП, а второй – периодически повторяющейся ИП.

В приемном устройстве может быть реализован одновременный поиск СП и ИП. При этом, если использовать алгоритм обнаружения, основанный на сравнении с порогом суммы квадратов максимальных значений функций взаимной корреляции принимаемого сигнала с СП и ИП, помехоустойчивость обнаружения будет незначительно ниже помехоустойчивости обнаружения при передаче одной СП.

После обнаружения синхросигнала и автоподстройки тактовой частоты ПСП приемное устройство переходит в режим поиска окончания передачи синхросигнала.

Рассмотрим алгоритм этого поиска. В начале передачи синхросигнала СП и ИП фазируются между собой. Это означает, что генераторы (формирователи) СП и ИП устанавливаются в определенные начальные состояния. Например, если генераторы выполнены на основе регистров сдвига с сумматорами по модулю два в цепи обратной связи, начальными состояниями являются двоичные коды, записанные в регистрах. Если формирователи выполнены на основе счетчиков и постоянных запоминающих устройств, начальными состояниями являются нулевые состояния счетчиков. Рассмотрим этот метод формирования. Если количество элементов СП равно N-1, то счетчик формирователя СП осуществляет счет тактовых импульсов по модулю числа N-1. Количество элементов ИП равно N, поэтому счетчик формирователя ИП осуществляет счет тактовых импульсов по модулю числа N.

В начале формирования синхросигнала оба счетчика находятся в нулевом состоянии, то есть на выходах их разрядов присутствуют двоичные коды числа ноль. В дальнейшем каждый раз, когда счетчик формирователя информационной ПСП устанавливается в нулевое состояние (фиг.2а), число, двоичный код которого устанавливается на выходах разрядов счетчика формирователя синхронизирующей ПСП, увеличивается на единицу (фиг.2б). Если длительность синхросигнала равна K периодам повторения ИП, то окончанию синхросигнала соответствует момент времени, когда на выходах разрядов счетчика формирователя ИП устанавливается код числа ноль, а на выходах разрядов счетчика формирователя СП устанавливается код числа K. По этому признаку может быть определен момент окончания синхросигнала в приемном устройстве.

В режиме передачи данных формируемый сигнал имеет вид

где – ДП;

– МП1;

– МП2.

Можно показать, что сигналы и квазиортогональны, поэтому оптимальный некогерентный двухканальный прием таких сигналов включает в себя предварительное умножение квадратурных огибающих входного сигнала в одном канале на , а во втором – на , то есть на СП и ДП приведенные к биполярному виду. После этого в каждом канале вычисляют корреляцию квадратурных огибающих с каждым из сигналов вида (i = 1…Q), где –модулированная последовательность, соответствующая i –тому из Q возможных передаваемых информационных символов, а также сумму их квадратов. Выбирают максимальное из Q значений суммы квадратов и соответствующую ему модулированную последовательность, по которой определяют передаваемый информационный символ.

Отметим, что при больших Q, то есть большом количестве различных передаваемых информационных символов помехоустойчивость некогерентного приема незначительно отличается от помехоустойчивости когерентного приема информации.

Пример технической реализации устройства формирования передаваемого сигнала приведен на фиг. 1.

Устройство содержит:

1 – формирователь сигналов тактовой частоты (ФСТЧ);

2 – счетчик по модулю N-1;

3 – счетчик по модулю N;

4 – делитель частоты на N;

5, 6, 10, 11 – постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);

7, 9 – сумматор по модулю N-1;

8 – параллельный регистр;

12, 13 – схема 2ИЛИ;

14, 15 – сумматор по модулю два;

16, 17 – коммутатор;

18 – делитель частоты на K;

19, 20 – преобразователь уровня (ПУ);

21 – фазовращатель;

22 – формирователь сигналов несущей частоты (ФСНЧ);

23 – D- триггер;

24, 25 – перемножитель;

26 – сумматор.

Устройство работает следующим образом. Сигнал тактовой частоты, формируемый ФСТЧ 1, поступает на тактовые входы счетчика по модулю N-1 2, счетчика по модулю N 3 и делителя частоты на N 4 (N-количество элементов ИП). Сигнал разрешения передачи (РП) поступает от устройства передачи данных (УПД) на входы обнуления счетчиков 2, 3 и D- триггера 23, а также входы начальной установки делителя частоты на N 4 и делителя частоты на 18.

При отсутствии сигнала РП счетчики 2, 3 и D-триггер 23 находятся в нулевом состоянии, а делители частоты 4, 18 – в исходном состоянии. По приходу сигнала РП начинают работать счетчики 2, 3 и делитель частоты 4. Делитель частоты 4 формирует импульсы длительностью, равной одному периоду тактовой частоты и скважностью равной N. Эти импульсы поступают на тактовые входы параллельного регистра 8 и делителя частоты на 18. По приходу -го импульса на выходе делителя частоты 18 возникает импульс, который поступает на тактовый вход D-триггера 23 и устанавливает его в состояние логической единицы.

Выходной сигнал (РД) D-триггера 23 поступает на УПД и разрешает передачу данных. Тактовыми импульсами (ТИ) считывания данных из УПД служат выходные импульсы делителя частоты 4. Передаваемые информационные символы в виде двух многоразрядных двоичных чисел поступают с выхода УПД на вход параллельного регистра 8, куда записываются выходными импульсами делителя частоты 4.

Формирование псевдослучайных последовательностей происходит следующим образом. На выходах счетчиков 2 и 3 с частотой тактовых импульсов формируются периодические последовательности многоразрядных двоичных чисел и соответственно. Выходные сигналы счетчика по модулю N-1 2 поступают на адресные входы ПЗУ 5, в котором записаны значения элементов СП. На выходе ПЗУ 5 формируется периодически повторяющаяся СП.

Аналогично, выходные сигналы счетчика 3 поступают на адресные входы ПЗУ 6. В ПЗУ 6 записаны трехразрядные числа. В одном из разрядов записаны значения элементов ИП, в другом – значения элементов СП дополненной одним постоянным элементом и в третьем – значения элементов ДП. На выходе ПЗУ 6 формируются периодически повторяющееся последовательности: ИП, дополненная одним элементом СП и ДП.

Синхросигнал формируется на протяжении первых периодов повторения ИП. В это время D-триггер 23 находится в состоянии логического нуля. Его выходной сигнал поступает на входы управления коммутаторов 16 и 17. При этом коммутатор 16 подключает ко входу преобразователя уровня 19 периодически повторяющуюся СП с выхода ПЗУ 5, а коммутатор 17 подключает ко входу преобразователя уровня 20 периодически повторяющуюся ИП с одного из выходов ПЗУ 6.

В преобразователях уровня 19 и 20 сигналы приводятся к биполярному виду и поступают на входы перемножителей 24 и 25 соответственно. На второй вход перемножителя 25 поступает сигнал несущей частоты с выхода ФСНЧ 22, а на второй вход перемножителя 24 – сигнал несущей частоты, сдвинутый по фазе на девяносто градусов в фазовращателе 21. На выходе перемножителя 25 формируется сигнал несущей частоты манипулированный по фазе элементами периодически повторяющейся ИП, а на выходе перемножителя 24 – сигнал несущей частоты, сдвинутый по фазе на девяносто градусов и манипулированный по фазе элементами периодически повторяющейся СП. Оба сигнала суммируются в сумматоре 26, образуя синхросигнал.

В режиме передачи данных D-триггер 23 переходит в состояние логической единицы и коммутатор 16 подключает ко входу преобразователя уровня 19 выходной сигнал сумматора по модулю два 14, а коммутатор 17 подключает ко входу преобразователя уровня 20 выходной сигнал сумматора по модулю два 15.

Двоичные коды двух очередных передаваемых информационных символов записываются в параллельный регистр 8 и поступают на входы сумматоров по модулю N-1 7 и 9, на вторые входы которых поступает многоразрядный сигнал с выхода счетчика 3. На выходах сумматоров по модулю N-1 7 и 9 формируются последовательности чисел, представляющие собой циклические сдвиги последовательности . Двоичные представления величин сдвигов совпадают с двоичными кодами информационных символов.

Выходные сигналы сумматоров по модулю N-1 7 и 9, поступают на адресные входы ПЗУ 10 и 11 соответственно. В ПЗУ 10 и 11 записаны элементы М – последовательности, из которой образована ИП. На выходах ПЗУ 10 и 11 формируются последовательности, являющиеся циклическими сдвигами М – последовательности из которой образована ИП. Двоичные представления величины сдвигов совпадают с двоичными кодами информационных символов.

В схемах 2ИЛИ 12 и 13 происходит добавление к этим последовательностям одного постоянного элемента, равного логической единице, в момент прихода импульса с выхода делителя частоты на N 4. На выходах схем 2ИЛИ 12 и 13 формируются модулированные последовательности МП1 и МП2, которые поступают на входы сумматоров по модулю два 14 и 15 соответственно.

На второй вход сумматора по модулю два 14 поступает СП удлиненная на один постоянный элемент с выхода ПЗУ 6, а на второй вход сумматора по модулю два 15 – ДП. На выходе сумматора по модулю два 14 формируется последовательность сумм по модулю два элементов МП1 и СП, а на выходе сумматора по модулю два 15 – элементов МП2 и ДП. В преобразователях уровней 19 и 20 последовательности приводятся к биполярному виду и поступают на входы перемножителей 24 и 25 соответственно.

На выходе перемножителя 25 формируется сигнал несущей частоты, манипулированный по фазе суммой по модулю два элементов МП2 и ДП, а на выходе перемножителя 24 – сигнал несущей частоты, сдвинутый по фазе на девяносто градусов и манипулированный по фазе суммой по модулю два элементов МП1 и СП.

ИСТОЧНИКИ ИНФОМАЦИИ

1. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. – 1104с., с.733-819.

2. Борисов В. И. и др. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью – М.: Радио и связь, 2003. – 641с.

3. Патент RU 2646 353 С1. Передатчик повышенной структурной и энергетической скрытности. Опубликовано 02.03.2018. Бюл. №7.

4. Патент RU 2127 486 С1. Способ и устройство передачи сообщений широкополосными сигналами. Опубликовано 10.03.1999.

5. Патент RU 2279 183 С2. Способ передачи информации в системе связи с широкополосными сигналами. Опубликовано 27.06.2006. Бюл. №18.

6. Патент RU 2731 681 С1. Способ формирования шумоподобных фазоманипулированных сигналов. Опубликовано 07.09.2020. Бюл. №25.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в системах помехозащищенной пакетной передачи данных. Технический результат - увеличение скорости передачи данных. Это достигается тем, что в начале передачи каждого пакета данных передают синхросигнал, который формируют квадратурной модуляцией сигнала несущей частоты двумя двоичными псевдослучайными последовательностями, синхронизирующей (СП) и информационной (ИП). СП является М-последовательностью, а ИП образована из М-последовательности путем добавления одного постоянного элемента. При передаче данных СП удлиняют на один элемент и формируют дополнительную последовательность (ДП) путем циклического сдвига первоначальной СП и добавлением одного постоянного элемента. На каждом периоде повторения ИП формируют две модулированные последовательности (МП1 и МП2) путем циклического сдвига М-последовательности, из которой образована ИП, на количество элементов, определяемое двумя передаваемыми информационными символами, и добавлением одного постоянного элемента. Осуществляют квадратурную модуляцию сигнала несущей частоты двумя двоичными последовательностями, одну из которых формируют сложением по модулю два СП и МП1, а вторую – сложением по модулю два ДП и МП2. 2 ил.

Способ пакетной передачи данных шумоподобными фазоманипулированными сигналами, заключающийся в том, что формируют сигналы несущей и тактовой частот, из сигнала тактовой частоты формируют двоичные квазиортогональные псевдослучайные последовательности, синхронизирующую (СП) и информационную (ИП), причем СП является М–последовательностью, а ИП образована из М–последовательности добавлением одного постоянного элемента, на каждом периоде повторения ИП формируют модулированную последовательность путем циклического сдвига М–последовательности, из которой образована ИП, на количество элементов, определяемое очередным передаваемым информационным символом, и добавлением одного постоянного элемента, отличающийся тем, что в начале передачи каждого пакета данных фазируют между собой СП и ИП, а также передают синхросигнал, для формирования которого сигнал несущей частоты сдвигают по фазе на девяносто градусов, манипулируют по фазе элементами СП и суммируют с сигналом несущей частоты, манипулированным по фазе элементами ИП, длительность синхросигнала выбирают кратной периоду повторения ИП, а при передаче данных СП удлиняют на один элемент и формируют дополнительную последовательность (ДП) путем циклического сдвига неудлиненной СП на фиксированное количество элементов и добавлением одного постоянного элемента, а также на каждом периоде повторения ИП формируют дополнительную модулированную последовательность путем циклического сдвига М–последовательности, из которой образована ИП, на количество элементов, определяемое очередным передаваемым информационным символом, и добавлением одного постоянного элемента, один из сигналов несущей частоты манипулируют по фазе последовательностью сумм по модулю два элементов модулированной последовательности и СП, а второй сигнал несущей частоты манипулируют по фазе последовательностью сумм по модулю два элементов дополнительной модулированной последовательности и ДП и суммируют оба фазоманипулированных сигнала.