Способ пакетной передачи данных шумоподобными фазоманипулированными сигналами Российский патент 2024 года по МПК H04L27/20 

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.

В патенте [6] при передаче данных используется вся мощность сигнала. Однако при этом, когерентный прием сигналов практически невозможен, из-за отсутствия синхронизирующего сигнала (как в [5]) и большого алфавита сигналов. С другой стороны, при большем алфавите помехозащищенность некогерентного и когерентного приема отличаются незначительно.

При некогерентном приеме, значение начальной фазы сигнала не влияет на помехозащищенность, если оно не меняется на интервале времени передачи одной посылки сигнала. Соблюдая это условие, можно передавать дополнительную информацию за счет изменения начальной фазы сигнала на разных посылках сигнала.

Целью изобретения является передача дополнительной информации не в ущерб помехоустойчивости передачи основных данных. Достигаемый при использовании изобретения результат - повышение скорости передачи данных.

Дополнительным преимуществом заявляемого способа является повышение разведзащищенности сигналов. В [6] при возведении сигнала передающего данные в квадрат, образуется гармонический сигнал на удвоенной несущей частоте. В заявляемом способе образуется фазоманипулированный сигнал на удвоенной несущей частоте.

Наиболее близким по количеству совпадающих признаков к заявляемому способу является способ пакетной передачи данных шумоподобными сигналами, 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 псевдослучайные последовательности (ПСП) максимальной длины, синхронизирующую и информационную.

- Информационную ПСП удлиняют на один элемент, а синхронизирующую ПСП укорачивают на определенное количество элементов.

- На каждом периоде повторения информационной ПСП формируют модулированную ПСП путем циклического сдвига информационной ПСП начальной длины на количество элементов, определяемое значением передаваемого информационного символа, и добавлением одного постоянного элемента.

- Перед передачей каждого пакета данных фазируют между собой информационную ПСП и синхронизирующую ПСП, то есть устанавливают генераторы (формирователи) ПСП в начальные фиксированные состояния.

- Передают в радиоканал синхросигнал с квадратурной фазовой манипуляцией, для формирования которого сигнал несущей частоты сначала манипулируют по фазе синхронизирующей ПСП, а затем фазоманипулированный сигнал дополнительно сдвигают по фазе на девяносто градусов на тех интервалах времени, на которых значения синхронизирующей ПСП и информационной ПСП не совпадают.

- Синхросигнал передают в течении времени, равного произведению длительности одного периода тактовой частоты и числа, равного наименьшему общему кратному числа элементов синхронизирующей ПСП и числа элементов информационной ПСП.

- По окончанию передачи синхросигнала осуществляют передачу данных. Для этого сигнал несущей частоты манипулируют по фазе на сто восемьдесят градусов последовательностью, которую формируют сложением по модулю два синхронизирующей ПСП и модулированной ПСП.

Недостатком способа-прототипа является низкая скорость передачи информации.

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 (ПСП) максимальной длины, синхронизирующую и информационную, информационную ПСП удлиняют на один элемент и на каждом периоде повторения информационной ПСП формируют модулированную ПСП путем циклического сдвига неудлиненной информационной ПСП на количество элементов, определяемое передаваемым информационным символом, и добавлением одного постоянного элемента, а также в начале передачи каждого пакета данных фазируют между собой синхронизирующую ПСП и информационную ПСП и передают синхросигнал с квадратурной фазовой манипуляцией, для формирования которого сигнал несущей частоты сначала манипулируют по фазе синхронизирующей ПСП, а затем фазоманипулированный сигнал дополнительно сдвигают по фазе на девяносто градусов на тех интервалах времени, на которых значения синхронизирующей ПСП и информационной ПСП не совпадают, согласно изобретению длительность синхросигнала выбирают кратной периоду повторения информационной ПСП, а при передаче данных сигнал несущей частоты модулируют данными от дополнительного источника информации методом многопозиционной фазоразностной модуляции с длительностью посылки равной периоду повторения информационной ПСП, а затем фазоманипулированный сигнал манипулируют по фазе на сто восемьдесят градусов последовательностью, которую формируют сложением по модулю два синхронизирующей ПСП и модулированной ПСП.

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

- Формируют сигналы несущей и тактовой частот.

- Из сигнала тактовой частоты формируют двоичные квазиортогональные ПСП максимальной длины, синхронизирующую и информационную.

- Информационную ПСП удлиняют на один элемент, добавляя, например, в конце логический ноль или единицу.

- Перед передачей каждого пакета данных фазируют между собой информационную ПСП и синхронизирующую ПСП, то есть устанавливают генераторы (формирователи) ПСП в начальные фиксированные состояния.

- Передают в радиоканал синхросигнал с квадратурной фазовой манипуляцией. Для формирования синхросигнала сигнал несущей частоты сначала манипулируют по фазе синхронизирующей ПСП, а затем фазоманипулированный сигнал дополнительно сдвигают по фазе на девяносто градусов на тех интервалах времени, на которых значения синхронизирующей ПСП и информационной ПСП не совпадают.

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

- При передаче данных на каждом периоде повторения информационной ПСП формируют модулированную ПСП путем циклического сдвига неудлиненной информационной ПСП на количество элементов, определяемое значением передаваемого информационного символа, и добавлением одного постоянного элемента.

- Сигнал несущей частоты модулируют данными от дополнительного источника информации методом многопозиционной фазоразностной модуляции (ФРМ). Длительность посылки сигнала выбирают равном одному периоду повторения информационной ПСП. В современной литературе [1] используют также другое название этого вида модуляции - дифференциальная фазовая манипуляция (DPSK). В частности, N - позиционная ФРМ называется дифференциальной N - фазной манипуляцией (DNPSK).

- Полученный фазоманипулированный сигнал манипулируют по фазе на сто восемьдесят градусов последовательностью сумм по модулю два элементов синхронизирующей ПСП и модулированной ПСП.

Таким образом, в заявляемом способе увеличение скорости передачи данных осуществляется за счет передачи дополнительных данных методом многопозиционной фазоразностной модуляции.

За счет того, что длительность посылки сигнала выбирается равной периоду повторения информационной ПСП, эта дополнительная модуляция не влияет на помехозащищенность передачи основных данных, передаваемых ансамблем шумоподобных фазоманипулированных сигналов, при некогерентном методе их приема.

Рассмотрим математическое представление формируемых сигналов и методов их приема.

Согласно способа формирования синхросигнала, сигнал несущей частоты сначала манипулируют по фазе синхронизирующей ПСП , формируя сигнал

Затем сигнал дополнительно сдвигают по фазе на девяносто градусов на тех интервалах времени, на которых значения синхронизирующей ПСП и информационной ПСП не совпадают, то есть сумма по модулю два равна единице. Следовательно, синхросигнал имеет вид

Как показано в описании способа-прототипа, выражение для синхросигнала можно преобразовать к виду

Таким образом, синхросигнал представляет собой сумму двух сигналов несущей частоты, сдвинутых между собой по фазе на девяносто градусов, один из которых манипулирован по фазе синхронизирующей ПСП, а второй- информационной ПСП.

В приемном устройстве может быть реализован одновременный поиск синхронизирующей ПСП (СП) и информационной ПСП (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, то счетчик формирователя СП осуществляет счет тактовых импульсов по модулю числаN. Количество элементов ИП равно N+1, поэтому счетчик формирователя ИП осуществляет счет тактовых импульсов по модулю числа N+1.

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.1, а), число, двоичный код которого устанавливается на выходах разрядов счетчика формирователя синхронизирующей ПСП, увеличивается на единицу (фиг.1, б). 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.

При передаче данных сигнал несущей частоты модулируют данными от дополнительного источника информации методом многопозиционной фазоразностной модуляции (ФРМ) с длительностью посылки равной периоду повторения информационной ПСП.

Этот метод достаточно полно описан в [7] и заключается в том, что в качестве информационного параметра выбирают разность фаз двух соседних посылок сигнала. При m - позиционной ФРМ количество различных передаваемых информационных символов равно m и каждому из этих символов ставится в соответствии одно из значений разностей фаз. Как правило, эти значения выбирают кратными величине . Если передаваемые символы представлены целыми числами, то символ а передается разностью фаз .

Таким образом, в результате этой модуляции начальная фаза сигнала несущей частоты на каждом n-ом периоде повторения информационной ПСП изменяется на величину , где - значение информационного символа, передаваемого от дополнительного источника информации. Сам сигнал имеет вид:

причем

.

Этот сигнал манипулируется по фазе на сто восемьдесят градусов последовательностью сумм по модулю два элементов синхронизирующей ПСП и модулированной ПСП . В результате образуется сигнал

Оптимальный некогерентный прием таких сигналов включает в себя предварительное умножение квадратурных огибающих входного сигнала и на . После этого вычисляют корреляции квадратурных огибающих с каждым из сигналов вида (i - 1, 2, …L), где - модулированная последовательность, соответствующая i - тому из L возможных передаваемых информационных символов, а также сумму их квадратов. Выбирают максимальное из L значений сумм квадратов и соответствующую ему модулированную последовательность, по которой определяют передаваемый информационный символ.

Прием информации от дополнительного источника может быть реализован следующим образом.

После нахождения передаваемой модулированной последовательности , выбирают из вычисленного массива корреляций соответствующие ей корреляции квадратурных огибающих:

Находят оценку фазы сигнала из системы уравнений

Решение этой системы можно записать следующим образом:

Вычисляют оценку разности фаз:

.

Определяют передаваемый информационный символ как число минимизирующее функцию , то есть

,

где .

Численное значение увеличения скорости передачи зависит от разрядности символов, передаваемых от основного и дополнительного источников информации. Например, если количество элементов информационной последовательности равно и используется восьмипозиционная ФРМ, скорость передачи возрастает в полтора раза .

Пример технической реализации цифровым методом устройства формирования сигнала согласно заявленному способу приведен на фиг.2.

Устройство содержит:

1 - формирователь тактовой частоты (ФТЧ);

2 - счетчик- таймер;

3, 6, 12, 16 - параллельный регистр;

4 - счетчик по модулю N, где N - количество элементов

синхронизирующей ПСП;

5 - счетчик по модулю N+1;

7, 8, 9, 13, 17 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);

10 - сумматор по модулю N;

11, 14, 15, 18 - сумматор по модулю M;

19 - фильтр;

20 - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП);

21 - формирователь частоты дискретизации (ФЧД).

Устройство работает следующим образом. Сигнал тактовой частоты, формируемый ФТЧ 1, поступает на тактовые входы счетчика по модулю и счетчика по модулю 5. При отсутствии сигнала разрешения передачи РП от устройства передачи данных (УПД) счетчики 4, 5, а также счетчик-таймер 2 находятся в исходном (нулевом) состоянии. По приходу сигнала РП на выходах счетчика 4 формируется периодическая последовательность многоразрядных двоичных чисел , которая поступает на адресные входы ПЗУ 8. В ПЗУ 8 записаны значения элементов синхронизирующей ПСП, поэтому на его выходе формируется периодическая синхронизирующая ПСП. На выходах счетчика 5 формируется периодическая последовательность многоразрядных двоичных чисел , которая поступает на один из входов сумматора 10. Сигнал с выхода переноса счетчика 5 поступает на тактовый вход счетчика-таймера 2, задающего время передачи синхросигнала, кратного периоду повторения информационной ПСП. При передаче синхросигнала на выходе счетчика-таймера 2 отсутствует сигнал разрешения передачи данных РД и параллельные регистры 3, 6, 12 удерживаются в нулевом состоянии. При этом на выходе сумматора 10, осуществляющего суммирование по модулю , формируется периодическая последовательность чисел , поступающая на адресные входы ПЗУ 9. На старший разряд ПЗУ 9 поступает сигнал с выхода переноса счетчика 4. В ПЗУ 9 записаны значения элементов информационной ПСП (неудлинённой) при нулевом значении старшего разряда адреса и постоянное значение при единичном, поэтому на входе ПЗУ 9 формируется периодическая информационная ПСП.

Формирование отсчетов синхросигнала происходит следующим образом. Импульсы частоты дискретизации с выхода ФЧД 21 поступают на тактовой вход параллельного регистра 16, на информационный вход которого поступает сигнал с выхода сумматора 18, а выход подается на один из входов сумматора 18. На второй вход сумматора 18 подается двоичный код несущей частоты. За счет обратной связи в паре параллельный регистр 16 - сумматор 18 происходит «накопление» фазы сигнала несущей частоты. Значение несущей частоты равно ,

где: - значение частоты дискретизации;

K - значение кода несущей часты;

M - модуль, по которому осуществляется суммирование в сумматоре 18.

Последовательность отсчетов фазы сигнала несущей частоты с выхода параллельного регистра 16 поступает на один из входов сумматора 15, осуществляющего суммирование двух чисел по модулю М. На второй вход сумматора 15 поступает сигнал с выхода сумматора 11. При формировании синхросигнала параллельные регистры 3 и 12 находятся в нулевом состоянии, на выходе ПЗУ 7 также нулевой код, поэтому на выходе сумматора 11 устанавливается нулевой код. Отсчеты фазы сигнала несущей частоты проходят напрямую на вход сумматора 14, где суммируются по модулю М с последовательностью чисел с выхода ПЗУ 13. На адресные входы ПЗУ 13 поступает синхронизирующая ПСП с выхода ПЗУ 8, информационная ПСП c выхода ПЗУ 9 и сигнал разрешения передачи данных РД выхода счетчика-таймера 2. При отсутствии сигнала РД на выходе ПЗУ 13 формируется числа в соответствии с формулой

Так как число соответствует фазе , то формируемые в ПЗУ 13 приращение фазы имеет вид

Сигнал с выхода сумматора 14 поступает на адресный вход ПЗУ 17, в котором записана таблица косинусов углов , где N- значение кода адреса. Выходной сигнал ПЗУ 17 преобразуется в аналоговый сигнал в ЦАП 20 и после фильтрации в фильтре 19 поступает на выход устройства.

При передаче данных на выходе счетчика-таймера 2 устанавливается сигнал разрешения передачи данных РД, который разрешает запись информации в регистры 3, 6 и 12.

Сигнал ТИ с выхода переноса счетчика 5 поступает на тактовые входы параллельных регистров 3 и 6 и внешнее устройство передачи данных УПД. По этому сигналу УПД выдает многоразрядные коды очередных передаваемых информационных символов на входы параллельных регистров 3 и 6.

Код информационного символа с выхода регистра 3 поступает на вход ПЗУ 7, в котором записаны числа , соответствующие приращениям фаз .

Сигнал с выхода ПЗУ 7 поступает на вход сумматора 11, суммирующего два числа по модулю . На второй вход сумматора 11 подается сигнал с выхода регистра 12, а выход поступает на входы сумматора 15 и регистра 12. В регистре 12 хранится код начальной фазы сигнала на предыдущей посылке (периоде повторения информационной ПСП). В сумматоре 11 к нему прибавляет код приращения фазы с выхода ПЗУ 7 и формируется код текущей начальной фазы сигнала. В сумматоре 15 он суммируется с кодом фазы гармонического сигнала несущей частоты и поступает на вход сумматора 14.

Код информационного символа с выхода регистра 6 поступает на второй вход сумматора 10, суммирующего два числа по модулю N. На выходе сумматора 10 формируется циклически сдвинутая последовательность . Двоичное представление величины сдвига равно коду информационного символа. На выходе ПЗУ 9 формируется циклически сдвинутая неудлинённая информационная ПСП. В конце периода повторения информационной ПСП на выходе счетчика по модулю 5 возникает сигнал переноса, по которому на выходе ПЗУ 9 возникает один и тот же уровень логической единицы или нуля. Таким способом к циклически сдвинутой неудлинённой информационной ПСП добавляется постоянный элемент и на выходе ПЗУ 9 формируется модулированная ПСП . ПЗУ 13 при наличии на одном из адресных входов сигнала разрешения передачи данных РД формирует на выходе код в соответствии с формулой

что соответствует приращению фазы.

.

В сумматоре 14 этот код суммируется с кодом фазы с выхода сумматора 15 и поступает на адресные входы ПЗУ 17.

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 2769378 С1. Способ пакетной передачи данных шумоподобными сигналами. Опубликовано 30.03.2022. Бюл. №10.

7. Окунев Ю.Б. Цифровая передача информации фазоманипулированными сигналами - М.: Радио и связь, 1991. - 296с.

Изобретение относится к области радиотехники и может найти применение в системах помехозащищенной пакетной передачи данных. Техническим результатом изобретения является повышение скорости передачи данных. Способ пакетной передачи данных шумоподобными фазоманипулированными сигналами заключается в том, что формируют две двоичные периодические псевдослучайные последовательности, синхронизирующую (СП) и информационную (ИП). СП является М-последовательностью, а ИП образована из М-последовательности путем добавления одного постоянного элемента. В начале передачи каждого пакета данных фазируют ИП с СП и передают синхросигнал с квадратурной фазовой манипуляцией, для формирования которого сигнал несущей частоты сначала манипулируют по фазе СП, а затем дополнительно сдвигают по фазе на 90 градусов на тех интервалах времени, на которых значения СП и ИП не совпадают. Длительность синхросигнала выбирают равной целому количеству периодов повторения ИП. При передаче данных на каждом периоде повторения ИП формируют модулированную последовательность (МП) путем циклического сдвига М-последовательности, из которой образована ИП, на количество элементов, определяемое передаваемым информационным символом, и добавлением одного постоянного элемента. Сигнал несущей частоты модулируют данными от дополнительного источника информации методом многопозиционной фазоразностной модуляции с длительностью посылки, равной периоду повторения ИП. Полученный сигнал манипулируют по фазе на 180 градусов последовательностью, являющейся суммой по модулю два СП и МП. 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 (ПСП) максимальной длины, синхронизирующую и информационную, информационную ПСП удлиняют на один элемент и на каждом периоде повторения информационной ПСП формируют модулированную ПСП путем циклического сдвига неудлиненной информационной ПСП на количество элементов, определяемое передаваемым информационным символом, и добавлением одного постоянного элемента, а также в начале передачи каждого пакета данных фазируют между собой синхронизирующую ПСП и информационную ПСП, и передают синхросигнал с квадратурной фазовой манипуляцией, для формирования которого сигнал несущей частоты сначала манипулируют по фазе синхронизирующей ПСП, а затем фазоманипулированный сигнал дополнительно сдвигают по фазе на девяносто градусов на тех интервалах времени, на которых значения синхронизирующей ПСП и информационной ПСП не совпадают, отличающийся тем, что длительность сигнала выбирают кратной периоду повторения информационной ПСП, а при передаче данных сигнал несущей частоты модулируют данными от дополнительного источника информации методом многопозиционной фазоразностной модуляции с длительностью посылки, равной периоду повторения информационной ПСП, а затем фазоманипулированный сигнал манипулируют по фазе на сто восемьдесят градусов последовательностью, которую формируют сложением по модулю два синхронизирующей ПСП и модулированной ПСП.