Способ формирования и обнаружения синхроимпульса фазоманипулированного сигнала Российский патент 2023 года по МПК H04L27/18 

Изобретение относится к области связи и может найти применение в системах, в которых используются шумоподобные фазоманипулированные сигналы.

В системах связи с шумоподобными сигналами передача информации осуществляется с помощью служебных и информационных элементов. По служебному элементу (синхроимпульсу) шумоподобного сигнала осуществляется его обнаружение. С помощью информационных элементов осуществляется передача информации. Модуляция фазы несущей частоты служебных и информационных элементов осуществляется двоичными последовательностями.

Обнаружение синхроимпульса фазоманипулированного сигнала осуществляется обнаружителем, состоящим из Согласованного фильтра (СФ), Адаптивного определителя уровня сигнала и Порогового устройства.

В основе работы такого обнаружителя лежит вычисление корреляционной функции (КФ) наблюдаемого в данном такте обработки сигнала с последовательностью, которой была модулирована фаза синхроимпульса (ДП_СИ). Адаптивный определитель уровня сигнала вычисляет порог. При превышении значения корреляционной функции значения вычисленного адаптивного порога Пороговое устройство фиксирует обнаружение сигнала.

Недостатком такого обнаружителя, является возникновение «ложных тревог» и «ложных обнаружений».

Возникновение «ложных тревог» связано с превышением выбросов внутреннего шума установленного шумового порога. Чем больше шумовой порог, тем меньше «ложных тревог», но тем хуже чувствительность приёмника, а, следовательно, меньше дальность обнаружения сигнала.

Для борьбы с ложными тревогами используется механизм установки на выходе обнаружителя шумового порога, который обеспечивает заданную вероятность ложных тревог.

Возникновение «ложных обнаружений» связанно с:

- плохими корреляционными свойствами используемых двоичных последовательностей (АКФ модулирующей последовательности синхроимпульса и ВКФ этой последовательности с модулирующими последовательностями информационных элементов);

- увеличением боковых пиков модулирующих последовательностей из-за внешних помех;

- способом вычисления адаптивного порога;

- наличием на входе приёмного устройства внутренних шумов приёмника.

Минимизировать количество «ложных обнаружений» можно только в случае подбора таких последовательностей, у которых АКФ имеют заданную величину боковых пиков, а величины ВКФ не превышают это значение.

Подобрать опорные последовательности для модуляции синхроимпульса, имеющие боковые пики АКФ меньше заданного значения, ещё можно. А вот подобрать для выбранной опорной последовательности синхроимпульса набор последовательностей для модуляции информационных элементов сигнала, у которых максимум пика ВКФ равен заданному значению, представляет очень трудную, практически невыполнимую вычислительную задачу (при базе элемента сигнала n=256 необходимо вычислить 2²⁵⁶ ≈ 10⁷⁷ ВКФ и выбрать из них такие, у которых максимум пика ВКФ не превышает заданного значения). Кроме того, подбор двоичных последовательностей, имеющих хорошие корреляционные свойства, существенно сокращает их количество.

Выбор того или иного способа вычисления адаптивного порога зависит от характера внешних помех, а потому непредсказуем. Для одного и того же синхроимпульса из-за случайности характеристик внешних помех вычисленный адаптивный порог может быть заниженным, что может привести к «ложному обнаружению», или завышенным, что может привести к пропуску сигнала.

Возникновение «ложных обнаружений» снижает пропускную способность системы связи, требует дополнительных вычислительных ресурсов на обработку «ложных обнаружений», что снижает надёжность аппаратных средств.

В патенте № 2608769 было предложено модулирующую последовательность синхроимпульса формировать как:

ДП_СИ = W_K*ДП_М__СИ, (1)

где W_K – последовательность Уолша выполняющая роль признака обнаружения ДП_СИ по «основному пику КФ», ДП_М__СИ – производящая последовательность, которая делает последовательность Уолша W_K шумоподобной, а символ «*» означает побитное умножение.

Предложенный обнаружитель уменьшает количество «ложных обнаружений», но обладает следующими недостатками:

- необходим подбор двоичных последовательностей с хорошими АКФ и ВКФ;

- реализация устройства «Определитель признака «основной пик КФ» является достаточно сложной задачей.

В патенте № 2760567 предложен обнаружитель, который не зависит от корреляционных свойств последовательностей, модулирующих фазу сигнала. Фаза синхроимпульса модулируется как в описанном выше патенте (№ 2608769).

Так как из (1) следует, что

W_K= ДП_СИ*ДП_М__СИ,

то обнаружение ДП_СИ предлагается заменить на обнаружение W_K.

Работа такого обнаружителя основывается на ортогональности последовательностей Уолша W_j, где j=1, 2, …, N. В каждом такте обработки оцифрованного сигнала (последовательности замеров) вычисляется ДП_Х=ДП_ВХ*ДП_М__СИ. Блок обработки ДП_Х состоит из N каналов, в каждом из которых вычисляются значения КФ последовательности ДПх со всеми последовательностями W_j.

Если на входе такого многоканального обнаружителя наблюдается последовательность ДП_ВХ=ДП_СИ, то ДП_Х=W_K. В этом случае, в соответствии с предлагаемым критерием (ортогональностью последовательностей Уолша) значение КФ(W_K,W_K)=B, а значение

(+) < Δ.

В любом другом случае, т.е. если ДП_ВХ≠ДП_СИ, то ДП_Х≠W_K, критерий выполняться не будет.

Такой многоканальный обнаружитель существенно снижает количество «ложных обнаружений» и не требует подбора двоичных последовательностей с хорошими АКФ и ВКФ.

Однако он имеет недостаток, связанный с наличием в приёмнике внутренних шумов. При малых сигналах случайные шумовые выбросы будут мешать определению ортогональности ДП_Х=W_K с другими последовательностями Уолша. В этом случае ортогональность можно будет обнаружить лишь в случае, когда во всех каналах не будет превышения порога шумами.

Существенным недостатком существующих и описанных выше обнаружителей является выдача «ложных тревог».

В предлагаемом обнаружителе отсутствуют «ложные тревоги» и «ложные обнаружения», связанные с корреляционными свойствами модулирующих последовательностей. В качестве модулирующих фазу сигнала последовательностей можно использовать любые последовательности полного кода.

Прежде чем сформулировать критерий предлагаемого обнаружителя ДП_СИ рассмотрим одно интересное свойство последовательностей полного кода. Это свойство будет продемонстрировано на примере последовательностей с базой В=8.

Вычислим корреляционные функции (КФ) каждой последовательности полного кода ДП_Х с последовательностями Уолша W. Получим таблицу 1.

Таблица 1 ДП_х КФ (ДП_х,W₁) (ДП_х,W₂) (ДП_х,W₃) (ДП_х,W₄) (ДП_х,W₅) (ДП_х,W₆) (ДП_х,W₇) (ДП_х,W₈) 1 2 3 4 5 6 7 8 0 -8 0 0 0 0 0 0 0 1 -6 -2 -2 2 -2 2 2 -2 2 -6 2 -2 -2 -2 -2 2 2 ……. ………. ………. ……….. ………….. ………….. ………….. ………….. ………….. 127 6 -2 -2 -2 -2 -2 -2 -2 128 -6 2 2 2 2 2 2 2 129 -4 0 0 4 0 4 4 0 ……. ………. ………. ……….. ………….. ………….. ………….. ………….. ………….. 152 -2 2 2 6 2 -2 -2 2 153 0 0 0 8 0 0 0 0 154 0 4 0 4 0 -4 0 4 ……. ………. ………. ……….. ………….. ………….. ………….. ………….. ………….. 253 6 -2 2 2 2 2 -2 -2 254 6 2 2 -2 2 -2 -2 2 255 8 0 0 0 0 0 0 0

В качестве последовательности W_K возьмём, например, последовательность Уолша W₄.

В таблице 1 в столбцах 1,2,3,5,6,7,8 во всех строках заменим значения КФ на mod КФ Получим таблицу 2 (в таблице 2 в столбце 4 остаются значения КФ).

Для каждой строки просуммируем значения modКФ_j в столбцах 1,2,3,5,6,7,8 (кроме столбца 4). Обозначим полученную сумму как ∑modКФ (в таблице 3 это столбец 9).

Для каждой строки вычислим величину {КФ₄(ДП_Х,W₄) -∑modКФ}, т.е. из значений столбца 4 вычтем соответствующие значения столбца 9. Результаты представлены в столбце 10 таблицы 3.

В таблице 3 все значения столбца 10 отрицательны, за исключением строки с номером 153, значение которой положительно и равно базе В=8. Последовательность 153, получена после снятия с ДП_ВХ маскирующей последовательности ДП_{М_СИ}. Последовательность ДП₁₅₃ = W₄.

Такая же картина получается при W_K=W₁, W_K=W₂, …, W_K=W₈.

Аналогичная картина наблюдается для базы В=16.

Таким образом, можно сделать вывод, что для любой последовательности полного кода ДП_ВХ≠ДП_СИ (ДП_Х≠W_K) значение (КФ_K(ДП_Х,W_K) -∑modКФ) будет отрицательным и только при ДП_ВХ=ДП_СИ (ДП_Х=W_K) значение (КФ_K(ДП_Х,W_K) -∑modКФ) будет равно В, т.е. >0.

В предлагаемом обнаружителе используется именно это свойство двоичных последовательностей.

Схема предлагаемого многоканального обнаружителя СИ представлена на Фиг. 1.

С учётом внутренних шумов, сигнал, в общем случае, определяется выражением:

ДП_ВХ^с+ш=ДП_ВХ^с+ДП_ВХ^ш.

В Блоке 1 с входного сигнала ДП_ВХ^с+ш «снимается» маскирующая ДП_{M_CИ}:

ДП_Х^с+ш= ДП_ВХ^с+ш *ДП_М__СИ= (ДП_ВХ^с+ДП_ВХ^ш)*ДП_М__СИ=

=ДП_ВХ^с * ДП_М__СИ+ ДП_ВХ^ш*ДП_М__СИ=ДП_Х^с+ДП_Х^ш.

В Блоке 2 вычисляются:

modКФ₁(ДП_Х^с+ш,W₁)=modКФ₁(ДП_Х^с*W₁)+ modКФ₁(ДП_Х^ш*W₁),

modКФ₂(ДП_Х^с+ш,W₂)=modКФ₂(ДП_Х^с*W₂)+ modКФ₂(ДП_Х^ш*W₂),

…………………………………………………………………….

modКФ_К-1(ДП_Х^с+ш,W_К-1)=modКФ_К-1(ДП_Х^с*W_К-1)+ modКФ_К-1(ДП_Х^ш*W_К-1),

modКФ_К+1(ДП_Х^с+ш,W_К+1)=modКФ_К+1(ДП_Х^с*W_К+1)+ odКФ_К+1(ДП_Х^ш*W_К+1)

…………………………………………………………………………….

modКФ_N(ДП_Х^с+ш,W_N)= modКФ_N(ДП_Х^с*W_N)+ modКФ_N(ДП_Х^ш*W_N).

В Блоке 3 вычисляется:

∑mod КФ= modКФ₁(ДП_Х^с+ш,W₁)+ modКФ₂(ДП_Х^с+ш,W₂)+…+

+modКФ_К-1(ДП_Х^с+ш,W_К-1)+ modКФ_К+1(ДП_Х^с+ш,W_К+1)+ …+

+modКФ_N(ДП_Х^с+ш,W_N)=

=modКФ₁(ДП_Х^с*W₁)+ modКФ₁(ДП_Х^ш*W₁)+

+modКФ₂(ДП_Х^с*W₂)+ modКФ₂(ДП_Х^ш*W₂)+…+

+modКФ_К-1(ДП_Х^с*W_К-1)+ modКФ_К-1(ДП_Х^ш*W_К-1)+

+modКФ_К+1(ДП_Х^с*W_К+1)+ modКФ_К+1(ДП_Х^ш*W_К+1)+…+

+modКФ_N(ДП_Х^с*W_N)+ modКФ_N(ДП_Х^ш*W_N)=

={ДП_Х^с,W_j)+ КФ(ДП_Х^c,W_j)}+

+{ДП_Х^ш,W_j)+ КФ(ДП_Х^ш,W_j)}.

В Блоке 4 вычисляется выражение:

КФ_К-∑modКФ=КФ_К(ДП_Х^с+ш,W_К)-∑modКФ=

={КФ_К(ДП_Х^с,W_K)+ КФ_К(ДП_Х^ш,W_K)}-

-{ДП_Х^с,W_j)+КФ(ДП_Х^c,W_j)}-

-{ДП_Х^ш,W_j)+ КФ(ДП_Х^ш,W_j)}=

=[КФ_К(ДП_Х^с,W_K)-{ДП_Х^с,W_j)+КФ(ДП_Х^c,W_j)}]+

+[КФ_К(ДП_Х^ш,W_K)-{ДП_Х^ш,W_j)+ КФ(ДП_Х^ш,W_j)}]. (2)

На основании описанного выше свойства двоичных последовательностей и выражения (2) критерий обнаружения W_K будет выглядеть так:

[КФ_К(ДП_Х^с,W_K)-{ДП_Х^с,W_j)+КФ(ДП_Х^c,W_j)}]+

+[КФ_К(ДП_Х^ш,W_K)-{ДП_Х^ш,W_j)+ КФ(ДП_Х^ш,W_j)}]>0 (3)

Рассмотрим возможные ситуации на входе обнаружителя СИ.

1. На входе обнаружителя нет сигнала.

В этом случае на входе обнаружителя будет только составляющая шума, т.е. критерий (3) будет иметь вид:

КФ_К-∑modКФ =

=КФ_К(ДП_Х^ш,W_K)-{ДП_Х^ш,W_j)+КФ(ДП_Х^ш,W_j)}>0. (4)

Выражение (4) будет больше 0 только в том случае, если на входе обнаружителя шум случайно сформирует ДП_ВХ^ш=ДП_СИ (т.е. на входе каналов будет ДП_Х^ш=W_K). Вероятность такого события равна 1/2^В. Так как при базе сигнала В=256 вероятность формирования шумом последовательности ДП_СИ будет равна 1/2²⁵⁶≈1/10⁷⁷, то вероятность выполнения выражения (4) (вероятность ложной тревоги) будет практически равна 0.

Если ДП_ВХ^ш≠ДП_СИ (ДП_Х^ш≠W_K) то для любых выбросов шума выражение (4) практически всегда будет отрицательным.

2. На входе обнаружителя есть сигнал ДП_ВХ^с≠ДП_СИ (после «снятия» маскирующей получится произвольная последовательность ДП_Х^с≠W_K) и шумы. В этом случае в выражении (3) составляющие

[КФ_К(ДП_Х^с,W_K)-{ДП_Х^с,W_j)+КФ(ДП_Х^c,W_j)}] и

[КФ_К(ДП_Х^ш,W_K)-{ДП_Х^ш,W_j)+ КФ(ДП_Х^ш,W_j)}]

будут отрицательными и, следовательно, выражение (3) в целом будет отрицательным.

3. На входе обнаружителя сигнал ДП_ВХ^с=ДП_СИ.

В этом случае ДП_Х^с=W_K и в выражении (3) составляющая

{ДП_Х^с,W_j)+КФ(ДП_Х^c,W_j)} будет равна 0.

Критерий обнаружения будет иметь вид:

КФ_К(ДП_Х^с,W_K)+

+[КФ_К(ДП_Х^ш,W_K)-{ДП_Х^ш,W_j)+КФ(ДП_Х^ш,W_j)}]>0

Составляющая КФ_К(ДП_Х^с,W_K) будет положительной, а составляющая:

[КФ_К(ДП_Х^ш,W_K)-{ДП_Х^ш,W_j)+КФ(ДП_Х^ш,W_j)}] будет отрицательной.

При больших сигналах ДП_Х^с=W_K выражение (3) будет выполняться. При уменьшении сигнала (увеличение дальности) критерий (3) будет выполняться до тех пор, пока модуль положительного значения составляющей КФ_К(ДП_Х^ш,W_K) будет больше модуля составляющей шума

[КФ_К(ДП_Х^ш,W_K)-{ДП_Х^ш,W_j)+КФ(ДП_Х^ш,W_j)}].

Расчёты показывают, что дальность обнаружения предлагаемым обнаружителем сопоставима с дальностью обнаружения классическим обнаружителем. При этом в предлагаемом обнаружителе отсутствуют «ложные тревоги», «ложные обнаружения» и нет необходимости подбора последовательностей с «хорошими» АКФ и ВКФ.

Изобретение относится к области связи. Технический результат заключается в обеспечении отсутствия ложных обнаружений синхроимпульса шумоподобного сигнала, связанных с корреляционными свойствами модулирующих последовательностей. Такой результат достигается тем, что на передающей стороне формирование последовательности ДПСИ, с помощью которой модулируется фаза несущей частоты синхроимпульса, осуществляется побитным умножением одной из последовательностей Уолша Wk с одной из последовательностей полного кода ДПМ_СИ, а на приемной стороне побитным умножением последовательностей ДПСИ и ДПМ_СИ вычисляется последовательность ДПХ, вычисляется корреляционная функция ДПХ с последовательностью Wk, затем вычисляется сумма модулей корреляционных функций последовательности ДПХ со всеми последовательностями Wj, для j≠k, из первой вычисленной корреляционной функции вычитается полученная сумма модулей корреляционных функций, и если полученная разность будет больше нуля, то формируется признак обнаружения. 1 ил., 3 табл.

Способ формирования и обнаружения синхроимпульса шумоподобного сигнала, при котором на передающей стороне формирование последовательности ДП_СИ, с помощью которой модулируется фаза несущей частоты синхроимпульса, осуществляется побитным умножением одной из последовательностей Уолша W_k с одной из последовательностей полного кода ДП_{М_СИ}, а на приемной стороне побитным умножением последовательностей ДП_СИ и ДП_{М_СИ} вычисляется последовательность ДП_Х, вычисляется корреляционная функция ДП_Х с последовательностью Wk, затем вычисляется сумма модулей корреляционных функций последовательности ДП_Х со всеми последовательностями W_j, для j≠k, из первой вычисленной корреляционной функции вычитается полученная сумма модулей корреляционных функций, и если полученная разность будет больше нуля, то формируется признак обнаружения.