СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ОРТОГОНАЛЬНЫМИ КОДОВЫМИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЯМИ И ДВУХСТУПЕНЧАТОЙ ФАЗОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИЕЙ Российский патент 2024 года по МПК H04L23/02 

Изобретение относится к области техники радиосвязи и может быть использовано в системах передачи данных повышенной помехоустойчивости за счет применения помехоустойчивого уплотнения ортогональными двоичными последовательностями и их корреляционным декодированием, двухступенчатой фазовой модуляции несущего колебания многоуровневым групповым сигналом, позволяющими реализовать когерентный прием сигнала в целом.

Из уровня техники известна система передачи данных с множественным доступом и кодовым разделением каналов связи, передающая сторона которой состоит из: информационных модуляторов, первый вход которых соединен с источником информации, а второй - с генератором несущей частоты; устройств умножения, первый вход которых соединен с выходом информационных модуляторов, а второй - с выходом генератора кодовой последовательности; суммирующего устройства, входы которого соединены с выходами устройств умножения. Приемная сторона системы передачи с множественным доступом и кодовым разделением каналов связи состоит из: устройства умножения, первый вход которого соединен с выходом суммирующего устройства, а второй - с генератором кодовой последовательности; информационного демодулятора, вход которого соединен с выходом устройства умножения [Скляр, Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильяме», 2007. - с. 783].

Недостатком данного известного устройства передачи данных является отсутствие помехоустойчивого вида модуляции группового сигнала и отсутствие помехоустойчивого декодера группового сигнала.

Наиболее близким к предполагаемому известным техническим решением является система передачи данных ортогональными кодами, состоящая из: суммирующего устройства, формирующего фильтра, вход которого соединен с выходом суммирующего устройства, амплитудно-импульсного модулятора, первый вход которого соединен с выходом формирующего фильтра, второй вход - с выходом генератора гармонических колебаний, а выход соединен с входом радиолинии, регистра сдвига передатчика, М сумматоров по модулю два, формирователя ортогональных двоичных последовательностей, М формирователей полярного кода, демодулятора радиосигнала, М корреляционных декодеров, формирователя ортогональных двоичных последовательностей в полярном коде, регистра сдвига приемника, регистра сдвига передатчика, вход которого соединен с выходом источника двоичных данных в последовательном коде, сумматоров по модулю два, первые входы которых соединены с выходами регистра сдвига передатчика, вторые входы - с выходами формирователя ортогональных двоичных последовательностей, М формирователей полярного кода, входы которых соединены с выходами сумматоров по модулю два, а выходы - с входами суммирующего устройства, демодулятора радиосигнала, вход которого соединен с выходом радиолинии, М корреляционных декодеров, первые входы которых соединены с выходами демодулятора сигнала, вторые входы - с выходами формирователя ортогональных двоичных последовательностей в полярном коде, регистра сдвига приемника, входы которого соединены с выходами корреляционных декодеров, а выход - с входом получателя данных [патент RU 2714606, 2020 г.].

Недостаток прототипа проявляется в том, что используемая амплитудно-импульсная модуляция обладает низкой помехоустойчивостью, так как не позволяет реализовать когерентный прием сигнала в целом и обеспечить тактовую самосинхронизацию принимаемого сигнала.

Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости системы передачи данных, уменьшение вероятности битовой ошибки P_b при фиксированном отношении сигнал/шум на бит h_b²=const, а также обеспечение тактовой самосинхронизации приемного сигнала.

Технический результат изобретения состоит в том, что повышается достоверность приема радиосигнала за счет использования фазовой модуляции несущей групповым многоуровневым сигналом и псевдослучайной n=М - разрядной последовательностью, что позволяет реализовать на приемной стороне когерентный прием группового сигнала и тактовой самосинхронизации принимаемого сигнала.

Сущность изобретения заключается в том, что кроме известных элементов системы, а именно: суммирующего устройства, формирующего фильтра, вход которого соединен с выходом суммирующего устройства, амплитудно-импульсного модулятора, первый вход которого соединен с выходом формирующего фильтра, второй вход - с выходом генератора гармонических колебаний, а выход соединен с входом радиолинии, регистра сдвига передатчика, М сумматоров по модулю два, формирователя ортогональных двоичных последовательностей, М формирователей полярного кода, демодулятора радиосигнала, М корреляционных декодеров, формирователя ортогональных двоичных последовательностей в полярном коде, регистра сдвига приемника, регистра сдвига передатчика, вход которого соединен с выходом источника двоичных данных в последовательном коде, сумматоров по модулю два, первые входы которых соединены с выходами регистра сдвига передатчика, вторые входы - с выходами формирователя ортогональных двоичных последовательностей, М формирователей полярного кода, входы которых соединены с выходами сумматоров по модулю два, а выходы - с входами суммирующего устройства, демодулятора радиосигнала, вход которого соединен с выходом радиолинии, М корреляционных декодеров, первые входы которых соединены с выходами демодулятора сигнала, вторые входы - с выходами формирователя ортогональных двоичных последовательностей в полярном коде, регистра сдвига приемника, входы которого соединены с выходами корреляционных декодеров, а выход - с входом получателя данных, в нее введены: на передающей стороне - два фазовых модулятора, генератор псевдослучайной последовательности передатчика, генератор тактовых импульсов, при этом первый вход первого фазового модулятора соединен с выходом формирующего фильтра, а второй вход с выходом генератора гармонических колебаний, первый вход второго фазового модулятора соединен с выходом первого фазового модулятора, а второй вход с выходом генератора псевдослучайной последовательности, выходы генератора тактовых импульсов соединены со вторым входом регистра сдвига передатчика, с входом формирователя ортогональных сигналов двоичных последовательностей и с входом генератора псевдослучайной последовательности передатчика, выход второго фазового модулятора соединен с входом радиолинии; на приемной стороне - два перемножителя, блок фазовой автоподстройки частоты, фазовый демодулятор, генератор псевдослучайной последовательности приемника, схема слежения за задержкой, генератор тактовых импульсов, при этом первые входы первого и второго перемножителя соединены с выходом радиолинии, вход блока фазовой автоподстройки частоты соединен с выходом первого перемножителя, первый вход фазового демодулятора соединен с выходом блока фазовой автоподстройки частоты, а второй вход - с выходом первого перемножителя, выход блока фазовой автоподстройки частоты соединен со вторым входом второго перемножителя, выход генератора псевдослучайной последовательности приемника соединен со вторым входом первого перемножителя и со вторым входом схемы слежения за задержкой, первый вход которой соединен с выходом второго перемножителя, вход генератора тактовых импульсов соединен с выходом схемы слежения за задержкой, а выход - с выходом генератора псевдослучайной последовательности, входом формирователя ортогональных двоичных последовательностей в полярном коде и М+1 входом регистра сдвига приемника.

На фиг. 1 представлена структурная схема системы передачи данных ортогональными кодами и двухступенчатой фазовой модуляцией сигнала, на фиг. 2 представлена таблица зависимостей вероятностей P_b=ƒ(h_b²).

В структурной схеме системы передачи данных ортогональными кодами и двухступенчатой фазовой модуляцией сигнала, представленной на фиг. 1, введены следующие обозначения:

1 - М-разрядный регистр сдвига передатчика;

2 - М сумматоров по модулю два;

3 - формирователь ортогональных двоичных М-разрядных последовательностей в двоичном коде;

4 - М формирователей полярного кода;

5 - генератор тактовых импульсов;

6 - суммирующее устройство;

7 - формирующий фильтр;

8 - фазовый модулятор первый;

9 - генератор гармонических колебаний;

10 - фазовый модулятор второй;

11 - генератор n=М-разрядной псевдослучайной последовательности передатчика;

12 - радиолиния;

13 - первый перемножитель;

14 - блок фазовой автоподстройки частоты;

15 - фазовый демодулятор;

16 - второй перемножитель;

17 - генератор n=М-разрядной двоичной псевдослучайной последовательности приемника;

18 - схема слежения за задержкой псевдослучайной последовательности;

19 - управляемый генератор тактовых импульсов;

20 - М корреляционных декодеров;

21 - формирователь ортогональных двоичных М-разрядных последовательностей в двоичном коде;

22 - М-разрядный регистр сдвига приемника.

При этом на передающей стороне первый вход М-разрядного регистра сдвига передатчика 1 соединен с выходом источника двоичных данных в последовательном коде, а второй вход - с выходом генератора тактовых импульсов 5, первые входы сумматоров по модулю два соединены с выходами регистра сдвига передатчика, а вторые входы - с выходами ортогональных двоичных последовательностей 3, вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов. Выходы сумматоров по модулю два соединены со входами М формирователей полярного кода 4, выходы которых соединены с входами суммирующего устройства 6, выход которого соединен с первым входом первого фазового модулятора 8, второй вход которого соединен с выходом генератора гармонических колебаний 9. Выход первого фазового модулятора соединен с первым входом второго фазового модулятора 10, второй вход которого соединен с выходом генератора псевдослучайной последовательности передатчика 11, вход которого соединен с выходом генератор тактовых импульсов, а выход фазового модулятора второго соединен с входом радиолинии 12.

На приемной стороне выход радиолинии соединен с первым входом первого перемножителя 13, выход которого соединен с входом блока фазовой автоподстройки частоты 14, выход которого соединен с первым входом фазового демодулятора группового многоуровневого сигнала 15, второй вход которого соединен с выходом первого перемножителя, и вторым входом перемножителя 16, первый вход которого соединен с выходом радиолинии. Выход второго перемножителя соединен с первым входом схемы слежения за задержкой 18, второй вход которой соединен с выходом управляемого генератора тактовых импульсов 19, вход которого соединен с выходом схемы слежения за задержкой. Выход фазового демодулятора соединен с первыми входами М корреляционных декодеров 20, вторые входы которых соединены с М выходами формирователя ортогональных М-разрядных двоичных последовательностей в полярном коде 21, а выходы которых параллельным двоичным кодом соединены с М входами М-разрядного регистра сдвига приемника 22, М+1 вход которого соединен с выходом управляемого генератора тактовых импульсов приемника, а выход регистра сдвига приемника последовательным двоичным кодом соединен с получателем данных. Генератор тактовых импульсов передатчика, перемножитель, блок фазовой автоподстройки частоты, генератор псевдослучайной последовательности, схема слежения за задержкой псевдослучайной последовательности, управляемый генератор тактовых импульсов представлены в известной научной литературе [Тузов Г.И., Сивов В.А., Прытков В.И. - М.: Радио и связь, 1985, стр. 126, рис. 4.11].

Система передачи данных ортогональными кодовыми последовательностями и двухступенчатой фазовой модуляцией сигнала работает следующим образом. Двоичные данные на передающей стороне с выхода источника в последовательном коде под действием тактовых импульсов генератора 5 поступают на вход М-разрядного регистра сдвига передатчика 1, который преобразует последовательный двоичный код в параллельный. Параллельный двоичный код с выхода регистра сдвига передатчика поступает на первые входы М сумматоров по модулю два 2, на вторые входы которых поступают ортогональные двоичные последовательности, которые генерируются в формирователе ортогональных двоичных последовательностей 3. Выходные символы М сумматоров по модулю два поступают на входы М формирователей полярного кода 4, которые преобразуют униполярный двоичный код в полярный код {1; - 1}, символы которого поступают на М входов суммирующего устройства 6. Многоуровневый групповой сигнал с выхода суммирующего устройства поступает на вход формирующего фильтра 7, с выхода которого поступает на первый вход первого фазового модулятора 8, где модулирует несущую гармонического сигнала, которая формируется в генераторе 9. Выходной сигнал первого фазового модулятора поступает на первый вход второго фазового модулятора 10, где модулируется выходным сигналом генератора псевдослучайной последовательности 11, который формируется под действием тактовых импульсов генератора 5, выходной сигнал второго фазового модулятора поступает на вход радиолинии 12.

На приемной стороне выходной сигнал радиолинии 12 поступает на первый вход первого перемножителя 13, с выхода которого подается на вход блока фазовой автоподстройки частоты 14 и на первый вход фазового демодулятора 15, на второй вход которого поступает выходной сигнал блока фазовой автоподстройки частоты. На выходе фазового демодулятора формируется принятый многоуровневый групповой сигнал с возможными искажениями. Для обеспечения тактовой самосинхронизации принимаемый сигнал поступает на первый вход второго перемножителя 16, на второй вход которого подается выходной сигнал блока фазовой автоподстройки частоты, а выходной сигнал второго перемножителя поступает на первый вход схемы слежения за задержкой 18, на второй вход которой подается выходной сигнал генератор псевдослучайной последовательности приемника 17, который одновременно поступает на второй вход первого перемножителя.

В результате такого взаимодействия структурных элементов приемного тракта на выходе первого перемножителя формируется гармонический сигнал, модулированный по фазе многоуровневым групповым сигналом, а на выходе схемы слежения за задержкой формируется сигнал рассогласования, пропорциональный временной задержке между принятой псевдослучайной последовательностью на выходе второго перемножителя и местной n=М-разрядной псевдослучайной последовательностью, которая формируется генератором псевдослучайной последовательности приемника. Выходной сигнал схемы слежения за задержкой управляет тактовой частотой управляемого генератора тактовых импульсов приемника 19, чем обеспечивается тактовая самосинхронизация принятого сигнала. Выходной сигнал фазового демодулятора подается на первые входы М корреляционных декодеров 20, на вторые входы которых поступают копии двоичных ортогональных последовательностей в полярном коде с выходов формирователя ортогональных двоичных последовательностей в полярном коде 21. Формирователь ортогональных двоичных последовательностей в полярном коде работает под действием тактовых импульсов, поступающих с выхода управляемого генератора тактовых импульсов приемника. Выходы М корреляционных декодеров выдают двоичные символы в параллельном коде на М входов регистра сдвига приемника 22, на М+1 вход которого подаются тактовые импульсы с выхода управляемого генератора тактовых импульсов приемника, выходные символы регистра сдвига приемника поступают к получателю данных.

Техническая осуществимость изобретения обосновывается тем, что в нем использованы устройства, техническая реализация которых по своему прямому функциональному назначению известна в аналоге и в прототипе. В организации заявителя в 2020 году изготовлено устройство, реализующее заявленную систему передачи данных.

Достигнутый заявленный технический результат, а именно - уменьшение вероятности битовой ошибки в принятом сообщении на выходе регистра сдвига 22 получен за счет применения помехоустойчивого уплотнения ортогональными двоичными последовательностями и их корреляционным декодированием, двухступенчатой фазовой модуляции несущего колебания многоуровневым групповым сигналом, позволяющими реализовать когерентный прием сигнала в целом.

Вероятность битовой ошибки в принятом сообщении определена в ходе компьютерного эксперимента.

Вероятность битовой ошибки от предложенной системы передачи данных определяется по выражению [Борисов В.И., Зинчук В.М. и др. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра прямой модуляцией псевдослучайной последовательностью - М.: РадиоСофт, 2011, с. 84]

Положительный эффект по повышению помехоустойчивости системы передачи данных от использования изобретения представлен в таблице на фиг. 2.

В таблице на фиг. 2 представлены значения вероятности битовой ошибки P_b в зависимости от отношения сигнал/шум на бит h_b² прототипа и предлагаемой системы передачи данных при фиксированных значениях М.

Положительный эффект от использования изобретения повышается с увеличением М=n и при М=n=16 вероятность P_b уменьшается не менее чем на два десятичных порядка по сравнению с прототипом. Указанный положительный эффект достигнут за счет когерентного приема фазоманипулированного сигнала в целом, что невозможно осуществить в прототипе с амплитудно-модулированным сигналом.

Изобретение относится к средствам передачи данных. Технический результат - повышение достоверности приема радиосигнала за счет применения кодового уплотнения данных и их корреляционным декодированием, двухступенчатой фазовой модуляции несущего колебания многоуровневым групповым сигналом, позволяющим реализовать когерентный прием в целом. Для этого предложена система передачи данных, которая содержит два фазовых модулятора 8, 10, где выходной сигнал модулирует несущую частоту гармонического колебания, а затем модулируется сигналом генератора псевдослучайной последовательности 11, при этом длина псевдослучайной последовательности равна n=М, два перемножителя 13, 16, блок фазовой автоподстройки частоты 14, схему слежения за задержкой 18 и фазовый демодулятор 15. 2 ил.

Система передачи данных ортогональными кодовыми последовательностями и двухступенчатой фазовой модуляцией сигнала, состоящая из регистра сдвига передатчика, вход которого соединен с выходом источника двоичных данных в последовательном коде, М сумматоров по модулю два, первые входы которых соединены с выходами регистра сдвига передатчика, формирователя ортогональных двоичных последовательностей, М формирователей полярного кода, входы которых соединены с выходами сумматоров по модулю два, суммирующего устройства, входы которого соединены с выходами М формирователей полярного кода, М корреляционных декодеров, регистра сдвига приемника, входы которого соединены с выходами корреляционных декодеров, отличающаяся тем, что в нее введены: на передающей стороне - два фазовых модулятора, генератор псевдослучайной последовательности передатчика, генератор тактовых импульсов, при этом первый вход первого фазового модулятора соединен с выходом формирующего фильтра, а второй вход с выходом генератора гармонических колебаний, первый вход второго фазового модулятора соединен с выходом первого фазового модулятора, а второй вход с выходом генератора псевдослучайной последовательности, выходы генератора тактовых импульсов соединены: со вторым входом регистра сдвига передатчика, с входом формирователя ортогональных сигналов двоичных последовательностей и с входом генератора псевдослучайной последовательности передатчика, выход второго фазового модулятора соединен с входом радиолинии; на приемной стороне - два перемножителя, блок фазовой автоподстройки частоты, фазовый демодулятор, генератор псевдослучайной последовательности приемника, схема слежения за задержкой, генератор тактовых импульсов, при этом первые входы первого и второго перемножителей соединены с выходом радиолинии, вход блока фазовой автоподстройки частоты соединен с выходом первого перемножителя, первый вход фазового демодулятора соединен с выходом блока фазовой автоподстройки частоты, а второй вход - с выходом первого перемножителя, выход блока фазовой автоподстройки частоты соединен со вторым входом второго перемножителя, выход генератора псевдослучайной последовательности приемника соединен со вторым входом первого перемножителя и со вторым входом схемы слежения за задержкой, первый вход которой соединен с выходом второго перемножителя, вход генератора тактовых импульсов соединен с выходом схемы слежения за задержкой, а выход - с входом генератора псевдослучайной последовательности, входом формирователя ортогональных двоичных последовательностей в полярном коде и М+1 входом регистра сдвига приемника.