СПОСОБ ПАКЕТНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ШУМОПОДОБНЫМИ СИГНАЛАМИ Российский патент 2023 года по МПК H04L27/20 H04J13/00 

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 помехоустойчивости при обеспечении высокой скорости передачи данных. Достигаемый при использовании изобретения результат - повышение помехоустойчивости системы пакетной 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 то, что в формируемом сигнале только половина его мощности используется для передачи данных, что снижает помехоустойчивость системы радиосвязи.

Для решения поставленной в изобретении задачи в способе пакетной передачи данных шумоподобными сигналами, заключающемся в том, что формируют сигналы несущей и тактовой частот, из сигнала тактовой частоты формируют двоичные квазиортогональные последовательности, синхронизирующую (СП) и информационную (ИП), причем СП является М - последовательностью, а ИП образована из М-последовательности добавлением одного постоянного элемента и на каждом периоде повторения ИП формируют модулированную последовательность путем циклического сдвига М - последовательности, из которой образована ИП, на количество элементов, определяемое 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, который формируют путем сдвига сигнала несущей частоты по фазе на девяносто градусов, манипуляции по фазе элементами СП и сложением с сигналом несущей частоты, манипулированным по фазе элементами ИП, длительность синхросигнала выбирают кратной периоду повторения ИП, а при передаче пакета данных СП удлиняют на один постоянный элемент, причем при передаче заголовка пакета оба сигнала несущей частоты манипулируют по фазе последовательностью сумм по модулю два элементов СП и элементов модулированной последовательности и суммируют, а при передаче данных каждый период повторения ИП разбивают на одинаковые временные интервалы, количество которых равно степени числа два, и на каждом временном интервале формируют дополнительную модулированную последовательность путем циклического сдвига дополнительной М-последовательности, сформированной из тактовой частоты, на количество элементов, определяемое передаваемым символом данных, и добавлением одного постоянного элемента, а оба сигнала несущей частоты манипулируют по фазе последовательностью сумм по модулю два элементов СП и элементов дополнительной модулированной последовательности и суммируют.

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

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

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

- Перед передачей каждого пакета данных осуществляют фазирование СП и ИП, то есть устанавливают генераторы (формирователи) в начальные фиксированные состояния.

- Формируют синхросигнал. Для этого один из сигналов несущей частоты манипулируют по фазе элементами СП, а второй сигнал - элементами ИП. Суммируют оба фазоманипулированных сигнала.

- Синхросигнал передают в течение времени, равного целому числу периодов повторения ИП.

- По окончанию передачи синхросигнала осуществляют передачу заголовка пакета данных. Для этого на каждом периоде повторения ИП формируют модулированную последовательность путем циклического сдвига М-последовательности, из которой образована ИП, на количество элементов, определяемое очередным передаваемым символом заголовка, и добавлением одного постоянного элемента. СП удлиняют на один элемент. Оба сигнала несущей частоты манипулируют по фазе последовательностью сумм по модулю два элементами модулированной последовательностью и удлиненной СП и суммируют.

- По окончанию передачи заголовка пакета осуществляют передачу данных. Для этого каждый период повторения ИП разбивают на одинаковых временных интервалов ( На каждом временном интервале из сигнала тактовой частоты формируют дополнительную М-последовательность. Период повторения этой последовательности меньше длительности временного интервала на один период тактовой частоты. Из дополнительной М-последовательности формируют дополнительную модулированную последовательность путем циклического сдвига относительно начала временного интервала на количество элементов, определяемое очередным передаваемым символом данных, и добавлением одного постоянного элемента. Отметим, что ее длительность равна длительности одного временного интервала.

- Оба сигнала несущей частоты манипулируют по фазе последовательностью сумм по модулю два элементов дополнительной модулированной последовательности и удлиненной СП и суммируют.

Таким образом, для передачи пакета данных используется вся мощность излучаемого сигнала и помехоустойчивость системы радиосвязи возрастает. Например, при передаче заголовка пакета помехоустойчивость возрастает на 3дБ. При передаче данных помехоустойчивость зависит от количества временных интервалов на которые разбивается один период повторения ИП. Возможность изменения количества временных интервалов позволяет адаптироваться к помеховой обстановке. При высоком уровне помех, выбирая можно обеспечить такую же помехоустойчивость передачи данных, как и при передаче заголовки пакета. При снижении уровня помех скорость передачи данных может быть значительно увеличена. Например. если количество элементов ИП равно , то максимальная скорость передачи информации в заголовке пакета составляет (бит/с), где T(c) - длительность периода повторения ИП. Максимальная скорость передачи данных равна

(бит/с),

а увеличение скорости передачи составляет

Например, при скорость передачи данных увеличивается в 16 раз.

Использование синхронизирующей последовательности при передаче пакета данных позволяет получить ансамбль информационных сигналов, слабо коррелированных при временных сдвигах. Если бы сигнал несущей частоты манипулировался по фазе только элементами модулированной последовательности (дополнительной модулированной последовательности), в радиоканалах с многолучевым распространением радиоволн сигналы разных лучей соответствовали бы различным передаваемым символам заголовка (данных). При этом появляется вероятность выбора символа, соответствующего не основному лучу приема, а одному из дополнительных.

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 числаN-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 пакета данных формируемый сигнал имеет вид

где - модулированная последовательность при передаче заголовка пакета или дополнительная модулированная последовательность при передаче данных.

Оптимальный некогерентный прием таких сигналов включает в себя предварительное умножение квадратурных огибающих входного сигнала на, то есть на СП при приведении к биполярному виду. После этого вычисляют корреляцию квадратурных огибающих с каждым из сигналов вида (i=1…Q), где - модулированная (дополнительная модулированная) последовательность, соответствующая i-тому из Q возможных передаваемых символов заголовка (данных), а также сумму их квадратов. Выбирают максимальное из Q значений суммы квадратов и соответствующую ему последовательность, по которой определяют передаваемый информационный символ.

Отметим, что при больших Q, то есть большом количестве передаваемых 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 несущей и тактовой частот (ФСНТЧ);

2 - счетчик по модулю ;

3 - счетчик по модулю ;

4 - делитель частоты на ;

5 - делитель частоты на ;

6 - счетчик по модулю ;

7, 8, 10, 11 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);

9 - сумматор по модулю ;

12 - сумматор по модулю ;

13, 14, 24 - коммутатор;

15, 16 - схема 2ИЛИ;

17 - фазовращатель;

18, 19 - фазовый манипулятор;

20, 21 - сумматор по модулю два;

22 - делитель частоты на K;

23 - сумматор;

25 - D - триггер.

Устройство работает следующим образом. Сигнал тактовой частоты, формируемый ФСНТЧ 1, поступает на тактовые входы счетчика по модулю 2, счетчика по модулю 3 ( - количество элементов ИП), делителя частоты на 4, делителя частоты на 5 ( - количество элементов дополнительной модулированной последовательности) и счетчика по модулю 6.

При отсутствии сигнала ПРД счетчики 2, 3, 6 и D-триггер 25 находятся в нулевом состоянии, а делители частоты 4, 5, 22 - в исходном состоянии. По приходу сигнала ПРД начинают работать счетчики 2, 3, 6 и делители частоты 4, 5. Делитель частоты 4 формирует импульсы длительностью равной одному периоду тактовой частоты и скважностью, равной . Эти импульсы поступают на тактовый вход делителя частоты на 22. По приходу K-го импульса на выходе делителя частоты 22 возникает импульс, который поступает на тактовый вход D-триггера 25 и устанавливает его в состояние логической единицы.

Выходной сигнал (РП) D-триггера 25 поступает на устройство передачи данных (УПД) и разрешает передачу заголовка пакета данных. Тактовыми импульсами (ТИ1) считывания символа заголовка пакета данных из УПД служат выходные импульсы делителя частоты 4. Передаваемые символы заголовка в виде многоразрядных двоичных чисел поступают с выхода УПД на один из входов сумматора по модулю 9.

Формирование СП и ИП происходит следующим образом. На выходах счетчиков 2 и 3 с частотой тактовых импульсов формируются периодические последовательности многоразрядных двоичных чисел и соответственно. Выходные сигналы счетчика 2 поступают на адресные входы ПЗУ 7, в котором записаны значения элементов СП. На выходе ПЗУ 7 формируется периодически повторяющаяся СП.

Аналогично, выходные сигналы счетчика 3 поступают на адресные входы ПЗУ 8. В одном из разрядов ПЗУ 8 записаны значения элементов ИП, в другом - значения элементов СП удлиненной на один элемент. На выходе ПЗУ 8 формируются периодически повторяющееся последовательности ИП и удлиненная на один элемент СП.

Синхросигнал формируется на протяжении первых периодов повторения ИП. В это время D-триггер 25 находится в состоянии логического нуля. Его выходной сигнал поступает на входы управления коммутаторов 13 и 14. При этом коммутатор 13 подключает ко входу фазового манипулятора 18 периодически повторяющуюся СП с выхода ПЗУ 7, а коммутатор 14 подключает ко входу фазового манипулятора 19 периодически повторяющуюся ИП с выхода ПЗУ 8.

На второй вход фазового манипулятора 19 поступает сигнал несущей частоты с выхода ФСНТЧ 1, а на второй вход фазового манипулятора 19 - сигнал несущей частоты, сдвинутый по фазе на девяносто градусов в фазовращателе 17. На выходе фазового манипулятора 19 формируется сигнал несущей частоты манипулированный по фазе элементами периодически повторяющейся ИП, а на выходе фазового манипулятора 18 - сигнал несущей частоты, сдвинутый по фазе на девяносто градусов и манипулированный по фазе элементами периодически повторяющейся СП. Оба сигнала суммируются в сумматоре 23, образуя синхросигнал.

В режиме передачи данных D-триггер 25 переходит в состояние логической единицы и коммутаторы 13, 14 подключает ко входам фазовых манипуляторов 18, 19 выход коммутатора 24. При передаче заголовка пакета отсутствует сигнал разрешения передачи данных (РД) с выхода УПД и коммутатор 24 подключает к выходу сигнал с выхода сумматора по модулю два 20.

Двоичный код очередного символа заголовка поступает на один из входов сумматора по модулю 9, на второй вход которого поступает многоразрядный сигнал с выхода счетчика 3. На выходе сумматора 9 формируется последовательность многоразрядных двоичных чисел, представляющая собой циклический сдвиг последовательности . Двоичное представление величины сдвига совпадает с двоичным кодом передаваемого символа заголовка.

Выходные сигналы сумматора 9 поступают на адресные входы ПЗУ 10, в котором записаны значения элементов М-последовательности, из которой образована ИП. На выходе ПЗУ 10 формируется последовательность, являющаяся циклическим сдвигом М-последовательности, из которой образована ИП. Двоичное представление величины сдвига совпадает с двоичным кодом передаваемого символа заголовка.

В схеме 2ИЛИ 15 происходит добавление к этой последовательности одного постоянного элемента, равного логической единице, в момент прихода импульса (ТИ 1) с выхода делителя частоты на 4. На выходе схемы 2ИЛИ 15 формируется модулированная последовательность, которая поступает на один из входов сумматора по модулю два 20.

На второй вход сумматора по модулю два 20, поступает удлиненная на один элемент СП с выхода ПЗУ 8. На выходе сумматора по модулю два 20 формируется последовательность сумм по модулю два элементов модулированной последовательности и удлиненной СП, которая проходя через коммутаторы 24, 13, 14 поступает на входы фазовых манипуляторов 18 и 19. На выходах фазовых манипуляторов 18 и 19 формируются сигналы несущей частоты, сдвинутые между собой по фазе на девяносто градусов и манипулированные по фазе последовательностью сумм по модулю два элементов модулированной последовательности и удлиненной СП, которые суммируются в сумматоре 23.

По окончанию передачи заголовка пакета из УПД приходит сигнал разрешения передачи данных (РД), которым коммутатор 24 подключает к выходу сигнал с выхода сумматора по модулю два 21.

В режиме передачи данных тактовыми импульсами считывания передаваемых символов из УПД служат выходные импульсы (ТИ 2) делителя частоты на 5. Передаваемые символы в виде многоразрядных двоичных чисел поступают с выхода УПД на один из входов сумматора по модулю 12, на второй вход которого поступает периодическая последовательность многоразрядных двоичных чисел с выхода счетчика по модулю 6. На выходе сумматора 12 формируется последовательность многоразрядных двоичных чисел, представляющая собой циклический сдвиг последовательности . Двоичное представление величины сдвига совпадает с двоичным кодом передаваемого символа.

Выходные сигналы сумматора 9 поступают на адресные входы ПЗУ 11, в котором записаны значения элементов дополнительной М-последовательности. На выходе ПЗУ 11 формируется последовательность, являющаяся циклическим сдвигом дополнительной М-последовательности. Двоичное представление величины сдвига совпадает с двоичным кодом передаваемого символа.

В схеме 2ИЛИ 16 происходит добавление к этой последовательности одного постоянного элемента, равного логической единице, в момент прихода импульса (ТИ 2) с выхода делителя частоты на 5. На выходе схемы 2ИЛИ 16 формируется дополнительная модулированная последовательность, которая поступает на один из входов сумматора по модулю два 21.

На второй вход сумматора по модулю два 21, поступает удлиненная на один элемент СП с выхода ПЗУ 8, а на его выходе формируется последовательность сумм по модулю два элементов дополнительной модулированной последовательности и удлиненной СП, которая проходя через коммутаторы 24, 13, 14 поступает на входы фазовых манипуляторов 18 и 19. На выходах фазовых манипуляторов 18 и 19 формируются сигналы несущей частоты, сдвинутые между собой по фазе на девяносто градусов и манипулированные по фазе последовательностью сумм по модулю два элементов дополнительной модулированной последовательности и удлиненной СП, которые суммируются в сумматоре 23.

ИСТОЧНИКИ ИНФОМАЦИИ

1. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. – 1104 с., 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. - 641 с.

3. Патент RU 2646353 С1. Передатчик повышенной структурной и энергетической скрытности. Опубликовано 02.03.2018. Бюл. №7.

4. Патент RU 2127486 С1. Способ и устройство передачи сообщений широкополосными сигналами. Опубликовано 10.03.1999.

5. Патент RU 2279183 С2. Способ передачи информации в системе связи с широкополосными сигналами. Опубликовано 27.06.2006. Бюл. №18.

6. Патент RU 2731681 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. Техническим результатом изобретения является повышение помехоустойчивости системы пакетной передачи данных. Способ пакетной передачи данных шумоподобными сигналами состоит в том, 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. Длительность синхросигнала выбирают кратной периоду повторения ИП. При передаче заголовка пакета на каждом периоде повторения ИП формируют модулированную последовательность путем циклического сдвига М-последовательности, из которой образована ИП, на количество элементов, определяемое очередным символом заголовка, и добавлением одного постоянного элемента. Сигнал несущей частоты манипулируют по фазе последовательностью сумм по модулю два элементов модулированной последовательности и элементов СП, удлиненной на один элемент. При передаче данных каждый период повторения ИП разбивают на одинаковых временных интервала. На каждом временном интервале формируют модулированную последовательность путем циклического сдвига дополнительной М-последовательности на количество элементов, определяемое передаваемым символом данных, и добавлением одного постоянного элемента. Сигнал несущей частоты манипулируют по фазе последовательностью сумм по модулю два элементов модулированной последовательности и элементов СП, удлиненной на один элемент. 2 ил.

Способ пакетной передачи данных шумоподобными сигналами, заключающийся в том, что формируют сигналы несущей и тактовой частот, из сигнала тактовой частоты формируют двоичные квазиортогональные последовательности, синхронизирующую (СП) и информационную (ИП), причем СП является М–последовательностью, а ИП образована из М–последовательности добавлением одного постоянного элемента, и на каждом периоде повторения ИП формируют модулированную последовательность путем циклического сдвига М–последовательности, из которой образована ИП, на количество элементов, определяемое 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, который формируют путем сдвига сигнала несущей частоты по фазе на 90 градусов, манипуляции по фазе элементами СП и сложения с сигналом несущей частоты, манипулированным по фазе элементами ИП, длительность синхросигнала выбирают кратной периоду повторения ИП, а при передаче данных СП удлиняют на один постоянный элемент, причем при передаче заголовка пакета оба сигнала несущей частоты манипулируют по фазе последовательностью сумм по модулю два элементов СП и элементов модулированной последовательности и суммируют, а при передаче данных каждый период повторения ИП разбивают на одинаковые временные интервалы, количество которых равно степени числа два, и на каждом временном интервале формируют дополнительную модулированную последовательность путем циклического сдвига дополнительной М–последовательности, сформированной из сигнала тактовой частоты, на количество элементов, определяемое передаваемым символом данных, и добавлением одного постоянного элемента, а оба сигнала несущей частоты манипулируют по фазе последовательностью сумм по модулю два элементов СП и элементов дополнительной модулированной последовательности и суммируют.