Способ расширения спектра сигналов Российский патент 2024 года по МПК H04B1/7097 H04J13/00 H04L27/20 

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

Среди известных методов расширения спектра 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).

Большинство систем с шумоподобными сигналами, описанных в научных публикациях [1, 2, 3] и патентах [4, 5], используют для передачи данных двоичные алфавиты сигналов. Повышение скорости передачи данных в таких системах связи возможно только за счет сокращения длительности сигналов, то есть уменьшения их базы [3. стр.5]. Это приводит к снижению помехоустойчивости системы связи [3. стр.6].

Одним из путей повышения помехоустойчивости системы связи при высокой скорости передачи данных является использование алфавита сигналов большого объема [3. стр.163].

Из известных способов формирования сигналов с большим объемом алфавита наиболее близким по количеству совпадающих признаков к заявляемому является способ, описанный в [6].

Согласно этому способу формируют два сигнала несущей частоты, сдвинутые между собой по фазе на девяносто градусов, и сигнал тактовой частоты. Из сигнала тактовой частоты формируют две квазиортогональные или ортогональные двоичные псевдослучайные последовательности. Осуществляют фазирование псевдослучайных последовательностей. На каждом периоде повторения псевдослучайных последовательностей одну из них сдвигают относительно другой. При этом цифровые данные, поступающие от источника информации за время равное длительности одного периода повторения псевдослучайных последовательностей, взаимно однозначно преобразуют в величину этого сдвига. Сдвинутую псевдослучайную последовательность манипулируют по фазе дополнительной передаваемой информацией. Полученной последовательностью манипулируют по фазе один из сигналов несущей частоты. Второй сигнал несущей частоты манипулируют по фазе второй псевдослучайной последовательностью. Суммируют два фазоманипулированных сигнала несущей частоты.

Недостатком способа - прототипа является неэффективное использование мощности излучаемого сигнала, так как только одна квадратурная составляющая сигнала передает информацию.

Целью изобретения является передача цифровых данных по обеим квадратурным составляющим сигнала. Достигаемый технический результат - повышение скорости передачи данных.

Для решения поставленной в изобретении задачи в способе расширения спектра сигналов, заключающемся в том, что формируют сигнал тактовой частоты в форме меандра и два сигнала несущей частоты, сдвинутые между собой по фазе на девяносто градусов, из сигнала тактовой частоты формируют две периодические квазиортогональные псевдослучайные последовательности импульсов (ПСП), сфазированные между собой, а на каждом периоде ПСП формируют циклически сдвинутую копию одной из ПСП, согласно изобретению на каждом периоде ПСП формируют циклически сдвинутую копию второй ПСП и формируют композиционную последовательность импульсов путем коммутации сигналом тактовой частоты копий двух ПСП, а также формируют две дополнительных периодических ПСП, сфазированные с двумя основными периодическими ПСП и образующие с ними ансамбль квазиортогональных сигналов, и на каждом периоде ПСП формируют циклически сдвинутые копии дополнительных ПСП, коммутируя которые сигналом тактовой частоты получают вторую композиционную последовательность импульсов, сигналы несущей частоты манипулируют по фазе композиционными последовательностями импульсов, и суммируют фазоманипулированные сигналы, а передаваемые цифровые данные взаимно однозначно преобразуют в разность значений циклических сдвигов копий одной из ПСП на соседних периодах ПСП и в разности значений циклических сдвигов копий всех четырех ПСП на одном и том же периоде ПСП.

Способ расширения спектра сигналов заключается в последовательном выполнении следующих операций:

- Формируют сигнал тактовой частоты, имеющий форму меандра.

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

- Из сигнала тактовой частоты формируют четыре периодические квазиортогональные псевдослучайные последовательности импульсов (ПСП), сфазированные между собой.

- Цифровые данные, передаваемые на n - ом периоде ПСП взаимно однозначно преобразуют в четыре целых неотрицательных числа не превышающих число N - 1, где N - количество элементов ПСП.

- На каждом периоде ПСП формируют циклически сдвинутые копии всех четырех ПСП. Если ПСП описывается последовательностью амплитуд импульсов (кодовой последовательностью [3. стр.39]).

,

то циклически сдвинутой копии соответствует кодовая последовательность

,

где k - значение циклического сдвига.

Значения циклических сдвигов копий ПСП на n-ом периоде ПСП определяется следующим образом. Для копии одной из ПСП значение её циклического сдвига зависит от значения её сдвига на предыдущем (n - 1) - ом периоде ПСП и вычисляется по формуле:

,

откуда следует .

Значения циклических сдвигов , копии остальных ПСП вычисляются по формулам:

,

,

,

из которых получаем:

,

,

,

кроме того

,

,

.

Таким образом, передаваемые цифровые данные взаимно однозначно преобразуются в разность значений циклических сдвигов копий одной из ПСП на соседних периодах ПСП и в разность значений циклических сдвигов копий всех четырех ПСП на одном и том же периоде ПСП.

- Формируют две композиционных ПСП путем коммутации сигналом тактовой частоты копий двух пар циклически сдвинутых копий ПСП. Если кодовые последовательности пары копий ПСП имеют вид:

,

,

то кодовая последовательность композиционной ПСП [3. стр.73] -

.

Длительность одного элемента композиционных ПСП равна половине периода тактовой частоты.

- Композиционными ПСП манипулируют по фазе сигналы несущей частоты и суммируют фазоманипулированные сигналы.

Преобразование цифровых данных в числа и может осуществляться различными способами, в том числе с применением помехоустойчивого кодирования. В простейшем случае, биты цифровых данных могут быть значениями разрядов двоичных представлений чисел и .

Так как и не могут превышать число N - 1, то максимальное количество бит данных, передаваемых за один период ПСП равно . В способе-прототипе оно равно . Таким образом, заявляемый способ позволяет увеличить скорость передачи данных почти в четыре раза.

В отличие от способа - прототипа, прием цифровых данных может осуществляться некогерентными методами, так как фаза несущей частоты не является информационным параметром. Это имеет большое значение для радиоканалов, в которых слежение за несущей частотой сигнала невозможно или технически сложно. Кроме того, при большом алфавите сигналов (количестве возможных циклических сдвигов каждой ПСП) помехоустойчивости некогерентного и когерентного приема информации отличаются незначительно [3. стр.163, рис.7.6].

Некогерентный прием данных может быть реализован следующим образом:

- Для каждой ПСП, на каждом периоде ПСП вычисляют корреляции квадратурных огибающих принимаемого сигнала со всевозможными её циклически сдвинутыми копиями. Поскольку элементы каждой ПСП передаются только на какой то одной из двух половин периода тактовой частоты, корреляции вычисляют на тех интервалах времени, которые соответствуют этим половинам.

- Вычисляют суммы квадратов корреляций квадратурных огибающих для каждого сдвига.

- Определяют максимальное значение сумм квадратов и соответствующее ему значение циклического сдвига.

- Для одной из ПСП вычисляют разность по модулю найденных значений и циклических сдвигов на соседних периодах ПСП как оценку числа .

- Для остальных ПСП вычисляют разности по модулю найденных значений их циклических сдвигов и числа как оценки чисел и соответственно.

- Оценки чисел и преобразуют в принимаемые данные. В том случае когда биты передаваемых данных являются значениями разрядов двоичных представлений чисел и, принимаемыми данными являются значения разрядов двоичных представлений оценок этих чисел.

Еще одним преимуществом заявляемого способа является то, что для приема данных необходимо правильно определить разности значений циклических сдвигов копий ПСП, а не сами эти значения. Если в приемнике отсутствует точная синхронизация с принимаемым сигналом по задержке, значения циклических сдвигов копий ПСП вычисляются с некоторой постоянной ошибкой, которая исчезает при определении их разности. Это свойство снижает требование к схеме слежения за задержкой сигнала в приемнике, что немаловажно, например, для систем передачи данных с подвижных объектов.

Пример технической реализации устройства формирования сигналов рассматриваемым способом, приведен на фиг.1.

Устройство содержит:

1 - формирователь тактовой частоты (ФТЧ);

2, 3, 4, 10 - параллельный регистр;

5, 7, 8, 9, 11, 12, 13, 14 - сумматор по модулю N;

6 - счетчик по модулю N;

15, 16, 17, 18 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);

19 - синтезатор несущей частоты (СНЧ);

20, 21 - коммутатор;

22 - фазовращатель;

23, 24 - перемножитель;

25 - сумматор.

Устройство работает следующим образом. Сигнал тактовой частоты, формируемый ФТЧ 1, поступает на вход счетчика по модулю N 6. На выходах счетчика 6 формируется периодическая последовательность многоразрядных двоичных чисел [0, 1,…, N-1], которая поступает на первые многоразрядные входы сумматоров по модулю N 11, 12, 13 и 14. Сигнал с выхода переноса счетчика по модулю N 6 поступает на тактовые входы параллельных регистров 2, 3, 4, 10 и внешнее устройство передачи данных (УПД). По этому сигналу УПД выдает очередные передаваемые данные в параллельном коде . Часть разрядов кода (двоичное представление числа ) поступает на первый многоразрядный вход сумматора по модулю N 5, а остальные части (двоичные представления чисел ) - на входы параллельных регистров 2, 3 и 4 соответственно.

На второй вход сумматора по модулю N 5 поступает двоичный код числа с выхода параллельного регистра 10. На выходах сумматора по модулю N 5 формируется двоичный код числа , который записывается в параллельный регистр 10 импульсом (ТИ) с выхода переноса счетчика по модулю N 6.

Этим же импульсом в параллельные регистры 4, 3 и 2 записываются двоичные коды чисел, которые затем поступают на первые входы сумматоров по модулю N 9, 8 и 7 соответственно. На вторые многоразрядные входы этих сумматоров поступает двоичный код числа с выхода параллельного регистра 10. На выходах сумматоров по модулю N 9, 8 и 7 формируются двоичные коды чисел: , и , которые поступают на вторые многоразрядные входы сумматоров по модулю N 13, 12 и 11 соответственно.

Двоичный код числа с выхода параллельного регистра 10 поступает на второй вход сумматора по модулю N 14. Поскольку на первый вход сумматора по модулю N 14 поступают двоичные коды последовательности [0, 1,…, N-1], на его выходах формируются двоичные коды последовательности [], то есть циклически сдвинутой на элементов последовательности [0, 1,…, N-1].

Аналогично, на выходах сумматора по модулю N 13, 12 и 11, формируются двоичные коды последовательности [0, 1,…, N-1] циклически сдвинутой на , и элементов соответственно.

Выходные сигналы сумматоров по модулю N 11, 12, 13 и 14 поступают на адресные входы ПЗУ 15, 16, 17 и 18 соответственно, в которых записаны кодовые последовательности четырех ПСП.

Когда на адресные входы ПЗУ 15, 16, 17 и 18 поступают двоичные коды периодической последовательности [0, 1,…, N-1], на их выходах формируются четыре периодических ПСП, сфазированных между собой. Если на адресные входы ПЗУ поступают циклически сдвинутые последовательности [0, 1,…, N-1], на их выходах формируются циклически сдвинутые копии ПСП, причем значения сдвигов равны значениям сдвигов последовательности адресов.

Таким образом, на выходе ПЗУ 18 формируется копия одной из ПСП циклически сдвинутая на элементов, а на выходах ПЗУ 17, 16 и 15 - копии остальных ПСП, циклически сдвинутые на , и элементов соответственно.

Выходные сигналы ПЗУ 15 и 16 поступают на входы коммутатора 20, а выходные сигналы ПЗУ 17 и 18 - на входы коммутатора 21. Управление коммутаторами 20 и 21 осуществляется сигналом тактовой частоты с выхода ФТЧ 1. На выходах коммутаторов 20 и 21 формируются композиционные последовательности импульсов, состоящие из чередующихся с удвоенной тактовой частотой элементов двух копий ПСП, которые поступают на первые входы перемножителей 23 и 24 соответственно.

На второй вход перемножителя 24 поступает сигнал несущей частоты с выхода СНЧ 19, а на второй вход перемножителя 23 - сигнал несущей частоты, сдвинутый по фазе на девяносто градусов в фазовращателе 22. В перемножителях 23 и 24 композиционные последовательности импульсов, приведенные к биполярному виду, перемножаются с сигналами несущей частоты, в результате чего формируются фазоманипулированные сигналы.

Выходные сигналы перемножителей 23 и 24 суммируются в сумматоре 25, на выходе которого формируется выходной сигнал устройства.

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. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985. - 384с.

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

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

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

Изобретение относится к области радиотехники и может найти применение в системах помехозащищаемой передачи данных. Техническим результатом изобретения является повышение скорости передачи данных. Способ расширения спектра сигналов состоит в том, что формируют сигнал тактовой частоты в форме меандра. Из сигнала тактовой частоты формируют четыре периодические квазиортогональные псевдослучайные последовательности импульсов (ПСП), сфазированные между собой. На каждом периоде ПСП формируют циклически сдвинутые копии ПСП. Формируют две композиционные последовательности импульсов путем коммутации сигналом тактовой частоты копий двух пар ПСП. Композиционными последовательностями импульсов манипулируют по фазе два сигнала несущей частоты, сдвинутые между собой по фазе на девяносто градусов, и суммируют фазоманипулированные сигналы. Передаваемые цифровые данные взаимно однозначно преобразуют в разность значений циклических сдвигов копий одной из ПСП на соседних периодах ПСП и в разности значений копий всех четырех ПСП на одном и том же периоде. 1 ил.

Способ расширения спектра сигналов, заключающийся в том, что формируют сигнал тактовой частоты в форме меандра и два сигнала несущей частоты, сдвинутые между собой по фазе на девяносто градусов, из сигнала тактовой частоты формируют две периодические квазиортогональные псевдослучайные последовательности импульсов (ПСП), сфазированные между собой, а на каждом периоде ПСП формируют циклически сдвинутую копию одной из ПСП, отличающийся тем, что на каждом периоде ПСП формируют циклически сдвинутую копию второй ПСП и формируют композиционную последовательность импульсов путем коммутации сигналом тактовой частоты копий двух ПСП, а также формируют две дополнительных периодических ПСП, сфазированные с двумя основными периодическими ПСП и образующие с ними ансамбль квазиортогональных сигналов, и на каждом периоде ПСП формируют циклически сдвинутые копии дополнительных ПСП, коммутируя которые сигналом тактовой частоты получают вторую композиционную последовательность импульсов, сигналы несущей частоты манипулируют по фазе композиционными последовательностями импульсов, и суммируют фазоманипулированные сигналы, а передаваемые цифровые данные взаимно однозначно преобразуют в разность значений циклических сдвигов копий одной из ПСП на соседних периодах ПСП и в разности значений циклических сдвигов копий всех четырех ПСП на одном и том же периоде ПСП.