Способ формирования фазоманипулированного сигнала с использованием дополнительной бинарной фазовой манипуляции Российский патент 2025 года по МПК H03K3/00 H04B1/00 

Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в средствах связи.

Известен способ выделения сигнала в условиях наличия помех, описанный в патенте RU 2675386, H 04 B 1/10, недостатком которого является недостаточно высокая эффективность в условиях воздействия помех с изменяющейся во времени мощностью, в том числе в условиях воздействия узкополосных помех малой длительности.

Известны способ и устройство энергетического обнаружения сигнала с компенсацией комбинационных составляющих помехи и сигнала и помехи, описанные в патенте RU 2683021, H 04 B 1/10, недостатком которых является недостаточно высокая эффективность в условиях воздействия помех с изменяющейся во времени мощностью, в том числе в условиях воздействия узкополосных помех малой длительности.

Известен способ пакетной передачи данных шумоподобными сигналами, описанный в патенте RU 2769378, H04L 27/20, недостатком которых является недостаточно высокая эффективность в условиях воздействия большого числа узкополосных помех малой длительности.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является способ передачи информации, реализуемый по авторскому свидетельству №300946, H03C 3/40, 1971г., принятый за прототип.

Способ-прототип включает формирование сигналов (колебаний) несущей и тактовой частот, из которых формируются две квазиортогональные или ортогональные псевдослучайные последовательности (с малой взаимной корреляцией). Затем осуществляют фазирование псевдослучайных последовательностей, одна из которых предназначена для синхронизации (СП), а вторая - для передачи информации (ИП), которую манипулируют по фазе от источника информации. Из сформированного сигнала несущей частоты формируется второй сигнал несущей частоты, сдвинутый относительно него на 90°. Один из сигналов несущей частоты манипулируется по фазе (0°, 180°) первой псевдослучайной последовательностью, второй сигнал - по фазе второй псевдослучайной последовательностью, которая проманипулирована по фазе от источника информации.

Сформированные на несущей частоте сигналы суммируются между собой, полученный сигнал усиливается и излучается по каналу связи.

В приемном устройстве формируются две квазиортогональные или ортогональные псевдослучайные последовательности СП и ИП, которые являются копиями псевдослучайных последовательностей, сформированных в передатчике.

Осуществляют фазирование сформированных в приемнике псевдослучайных последовательностей (регистры генераторов установились в одинаковое начальное состояние).

Входной сигнал усиливается (высокочастотным трактом) и производится синхронизация сформированных последовательностей с входным сигналом.

После осуществления синхронизации входной сигнал перемножается с опорными псевдослучайными последовательностями, сформированными в приемнике. Затем сигналы фильтруются по полосе частот и детектируются в фазовом детекторе. В результате данных операций из сигнала выделяется информация.

Способ-прототип имеет недостаточно высокую эффективность в условиях воздействия большого числа узкополосных помех.

Задача предлагаемого способа - повышение эффективности выделения фазоманипулированного (ФМн) сигнала в условиях воздействия большого числа узкополосных помех, а также снижение вероятности обнаружения сигнала при использовании когерентного накопления, корреляционной обработки или обработки фазоманипулированного сигнала, который формируют традиционным способом.

Для устранения указанного недостатка в способе, который заключается в том, что формируют гармонический сигнал, осуществляют фазирование псевдослучайных последовательностей, одна из которых предназначена для синхронизации (СП), а вторая - для передачи информации (ИП), которую манипулируют по фазе в соответствии с битовой последовательностью, поступающей от источника информации, из сформированного сигнала формируют второй сигнал, сдвинутый относительно него на 90°, один из сигналов манипулируют по фазе (0°, 180°) первой псевдослучайной последовательностью, второй сигнал манипулируют по фазе второй псевдослучайной последовательностью, которая проманипулирована по фазе от источника информации, сформированные сигналы суммируют, полученный сигнал преобразуют соответствующим образом, усиливают и излучают в пространство; в приемном устройстве формируют две квазиортогональные или ортогональные псевдослучайные последовательности СП и ИП, которые являются копиями псевдослучайных последовательностей, сформированных в передатчике, осуществляют фазирование сформированных в приемнике псевдослучайных последовательностей (регистры генераторов устанавливают в одинаковое начальное состояние), входной сигнал усиливают в высокочастотном тракте и производят синхронизацию сформированных последовательностей с входным сигналом, после осуществления синхронизации входной сигнал перемножают с опорными псевдослучайными последовательностями, сформированными в приемнике, затем сигналы фильтруют по полосе частот, согласно изобретению, каждый сигнал манипулируют по фазе (0°, 180°) так, что разность фаз сигналов, образующих n-й и (n+1)-й периоды, n=1, 2, 3, …, (N_п-1), равна π, здесь N_п - число периодов, фрагменты сигнала, которые манипулируют по фазе, содержат четное число периодов несущей частоты;

в приемнике опорные сигналы формируют с учетом того, что сигнал дополнительно манипулируют по фазе;

при приеме сигналов после их умножения на опорные сигналы их обработку осуществляют одинаково;

результат умножения сигналов на соответствующие опорные сигналы фильтруют фильтрами нижней частоты (ФНЧ), полоса пропускания которых согласована с полосой сигнала;

сигнал, который образуется на выходе ФНЧ, преобразуют в цифровую форму, полученные отсчеты суммируют;

решение о наличии сигнала первого или второго типа принимают по результату сравнения полученного значения с порогом.

Предлагаемый способ заключается в следующем.

Формируют сигналы (колебаний) несущей и тактовой частот, из которых формируют две квазиортогональные или ортогональные псевдослучайные последовательности (с малой взаимной корреляцией).

Затем осуществляют фазирование псевдослучайных последовательностей, одна из которых предназначена для синхронизации (СП), а вторая - для передачи информации (ИП), которую манипулируют по фазе от источника информации.

Из сформированного сигнала несущей частоты формируют второй сигнал несущей частоты, сдвинутый относительно него на 90°.

Один из сигналов несущей частоты манипулируют по фазе (0°, 180°) первой псевдослучайной последовательностью, второй сигнал - по фазе второй псевдослучайной последовательностью, которая проманипулирована по фазе от источника информации.

Фрагменты сигнала, которые манипулируют по фазе, содержат четное число периодов несущей частоты.

Каждый сигнал также манипулируют по фазе (0°, 180°) так, что разность фаз сигналов, образующих n-й и (n+1)-й периоды, n=1, 2, 3, …, (N_п-1), равна π. Здесь N_п - число периодов. Иллюстративное пояснение приведено на фиг. 1.

Сформированные на несущей частоте сигналы суммируют между собой, полученный сигнал усиливают и излучают по каналу связи.

В приемном устройстве формируют две квазиортогональные или ортогональные псевдослучайные последовательности СП и ИП, которые являются копиями псевдослучайных последовательностей, сформированных в передатчике.

Осуществляют фазирование сформированных в приемнике псевдослучайных последовательностей (регистры генераторов установились в одинаковое начальное состояние).

Входной сигнал - сумму помехи и сигнала усиливают в высокочастотном тракте, понижают (повышают) значение несущей частоты при необходимости, затем фильтруют и усиливают. Производят синхронизацию сформированных последовательностей с входным сигналом.

Затем каждый входной сигнал умножают на опорный сигнал - копию сигнала. Результат умножения может быть записан в виде

U_с = (U_п+S)·S_к, (1)

где: U_п - помеха;

S, S_к - сигнал и копия сигнала, соответственно.

Помеха рассматривается как совокупность гармонических колебаний со случайными значениями амплитуд (U_pi) и фаз (ϕ_pi), которые распределены по нормальному (амплитуды) и равномерному (фазы) законам (см., например, учебное пособие «Основы теории радиотехнических систем». Учебное пособие.// В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, Н.П. Мухин. Под ред. В.И. Борисова. Воронежский научно-исследовательский институт связи, 2004., стр. 51, 68).

При этом считается, что для помехи типа аддитивный белый гауссовский шум (АБГШ) время существования составляющих помехи на выходе полосового фильтра составляет не менее двух периодов. Величина периода определяется значением частоты составляющей помехи.

Для узкополосных помех считается, что время существования составляющей помехи составляет не менее 5 - 10 периодов сигнала.

Для одной гармоники помехи выражение (1) может быть записано в виде

U_с = (U_сsin(f_с+ φ_с))²+0,5U_п(cos(f_с-f_п+φ_с-φ_п)-cos(f_с+f_п+φ_с+φ_п)), (2)

где: U_с, U_п, f_с, f_п, φ_с, φ_п - амплитуды, частоты и фазы составляющих сигнала и помехи соответственно.

Результат умножения входного сигнала на соответствующие опорные сигналы фильтруют фильтрами нижней частоты (ФНЧ), полоса пропускания которых согласована с полосой сигнала.

Составляющие с суммарным значением частот не проходят на выход ФНЧ. На выход ФНЧ проходят квадрат сигнала - постоянная составляющая и сигналы разностной частоты - медленно изменяющаяся составляющая. Иллюстративное пояснение для случая использования бинарной фазовой манипуляции (BPSK) приведено на фиг. 2. Здесь длительность сигнала разностной частоты составляет 12 периодов. В этом случае сумма отсчетов сигнала разностной частоты может достигать достаточно больших значений.

Для случая использования предлагаемой дополнительной модуляции - бинарной манипуляции по фазе (0°, 180°) сигнал разностной частоты становится знакопеременным. Причем знак сигнала изменяется для каждого периода сигнала. Иллюстративное пояснение для этого случая приведено на фиг. 3. В этом случае значение суммы отсчетов сигнала разностной частоты близко к нулю.

Сигнал, который образуется на выходе ФНЧ, преобразуют в цифровую форму. Полученные отсчеты суммируют.

Решение о наличии сигнала первого или второго типа принимают по результату сравнения полученного значения с порогом.

Моделирование процесса обнаружения сигнала осуществлялось с использованием системы MATLAB.

При моделировании использовались следующих значения параметров:

- длительность сигнала - 15 периодов;

- число отсчетов за период - 80;

- полоса сигнала - 10% от значения частоты, на которой проводят обработку сигнала;

- число реализаций - 1000.

Амплитуда составляющих помехи моделировалась как случайная величина, распределенная по нормальному закону. Фазы составляющих помехи моделировались как случайные величины, распределенные по равномерному закону.

В таблице приведены результаты моделирования процесса обнаружения сигнала при использовании бинарной фазовой манипуляции (BPSK) и BPSK с дополнительной бинарной модуляцией по фазе (0°, 180°) каждого периода сигнала в условиях наличия узкополосных помех малой длительности и помех типа АБГШ (длительность гармоник помехи на выходе ФНЧ составляет два периода).

В таблице использованы следующие обозначения:

Т_п - число периодов гармоник помехи;

SNR - значение отношения мощностей сигнала и помехи (SNR - signal-to-noise ratio);

PPOT - вероятность правильного обнаружения сигнала для традиционного способа обработки;

PPOP - вероятность правильного обнаружения сигнала для предлагаемого способа обработки;

ОМСП - отношение значений SNR для традиционного способа обработки сигнала с BPSK и для предлагаемого способа, при которых обеспечивается значение вероятности правильного обнаружения сигнала 0,999.

Таблица

Т_п Число составляющих помехи SNR PPOP PPOT ОМСП 2 10 0,046 0,999 0,8 12 0,54 >0,999 0,999 100 0,022 0,999 0,62 25 0,56 >0,999 0,999 1000 0,024 0,999 0,72 25 0,59 >0,999 0,999 10 4 0,015 0,999 0,54 100 1,5 >0,999 0,999 8 0,01 0,999 0,62 120 1,2 >0,999 0,999 16 0,012 0,999 0,55 130 1,58 >0,999 0,999

На основе анализа данных, приведенных в таблице, может быть сделан вывод, что эффективность предлагаемого способа по показателю отношение мощностей помехи и сигнала, для которого обеспечивается одинаковое значение вероятности правильного обнаружения сигнала, превышает эффективность традиционного способа обработки для помехи типа АБГШ более чем в 12 раз, для узкополосной помехи - более чем в 100 раз.

Технический результат - повышение помехоустойчивости средств связи, использующих фазоманипулированный сигнал, в условиях воздействия большого числа узкополосных помех, а также снижение вероятности обнаружения сигнала при использовании когерентного накопления, корреляционной обработки или обработки фазоманипулированного сигнала, который формируют традиционным способом.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, приведена на фиг. 4, где обозначено:

1 - антенна;

2 - широкополосный фильтр (ШпФ);

3 - усилитель высокой частоты (УВЧ);

4 - смеситель;

5 - полосовой фильтр (ПФ);

6 - усилитель промежуточной частоты (УПЧ);

7 - блок умножения;

8 - фильтр нижней частоты (ФНЧ);

9 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

10 -генератор частоты (ГЧ);

11 - блок синхронизации;

12 - блок формирования опорного напряжения (ФОН);

13 - вычислительное устройство (ВУ);

14 - устройство управления.

Устройство содержит последовательно соединенные антенну 1, широкополосный фильтр 2, усилитель высокой частоты 3, смеситель 4, полосовой фильтр 5, усилитель промежуточной частоты 6, блок умножения 7, фильтр нижней частоты 8, аналого-цифровой преобразователь 9, выход которого соединен с первым входом вычислительного устройства 13, выход которого является выходом устройства. При этом выход генератора частоты 10 соединен со вторым входом смесителя 4. Кроме того, последовательно соединенные блок синхронизации 11, устройство управления 14 и блок формирования опорного напряжения 12, выход которого соединен со вторым входом блока умножения 7. Вход блока синхронизации 11 подсоединен к выходу УПЧ 6. Второй выход устройства управления 14 соединен со вторым входом ВУ 13. Вход-выход антенны 1 является входом-выходом устройства.

Устройство работает следующим образом.

Аддитивную смесь сигнала и помехи (в дальнейшем по тексту - сигнал) с антенны 1 подают в ШпФ 2, где ее фильтруют, после чего сигнал усиливают до необходимого уровня в УВЧ 3. Затем частоту сигнала понижают (повышают) в смесителе 4, путем его умножения на сигнал, который подают на второй вход смесителя 4 с выхода ГЧ 10.

Полученный сигнал фильтруют ПФ 5 и усиливают в УПЧ 6. С выхода УПЧ 6 сигнал подают на первый вход блока умножения 7, на второй вход которого подают копию сигнала, который формируют в блоке ФОН 12.

В блоке ФОН 12 сигнал несущей частоты манипулируют по фазе (0°, 180°) псевдослучайной последовательностью, которую синхронизируют с входным сигналом в соответствии с сигналом управления, который формируют в устройстве управления 14, в соответствии с временной диаграммой работы станции, а так же с использованием управляющего сигнала, который формируют в устройстве управления 14 с использованием сигнала, который подают на вход устройства управления 14 с блока синхронизации 11. Управляющий сигнал содержит информацию о временном положении очередного информационного символа.

Сигнал несущей частоты так же манипулируют по фазе (0°, 180°) так, что разность фаз сигналов, образующих n-й и (n+1)-й периоды, n=1, 2, 3, …, (N_п-1), равна π. Здесь N_п - число периодов.

Блок ФОН 12 может быть выполнен в случае цифровой обработки сигнала, например, в виде вычислительного устройства. В случае аналоговой обработки сигнала блок ФОН 12 может быть выполнен, например, в виде последовательно соединенных вычислительного устройства и цифро-аналогового преобразователя.

Синхронизацию осуществляют в блоке синхронизации 11.

Устройство синхронизации 11, может быть выполнено, например, как устройство, описанное в учебном пособии «Основы теории радиотехнических систем. Учебное пособие. // В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, Н.П. Мухин. Под ред. В.И. Борисова. Воронежский научно-исследовательский институт связи, 2004», стр. 227, рис. 7.17 а).

Структурная схема устройства синхронизации 11 приведена на фиг. 5, где обозначено:

11.1 - фильтр;

11.2 - нелинейная схема;

11.3 - схема фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ);

11.4 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

11.5 - вычислительное устройство (ВУ).

Устройство синхронизации 11 содержит последовательно соединенные фильтр 11.1, нелинейную схему 11.2, схему ФАПЧ 11.3, АЦП 11.4 и ВУ 11.5 выход которого является выходом устройства. Вход фильтра 11.1 является входом устройства.

Устройство синхронизации 11 работает следующим образом.

В результате нелинейной обработки в нелинейной схеме 11.2 формируется тональный сигнал на основной частоте f=1/T и на частотах f=n/T (n=2, 3, …). В схеме ФАПЧ 11.3 обеспечивается слежение за этим сигналом и синхронизация с потоком данных. В АЦП 11.4 сигнал ошибки, поступающий со схемы ФАПЧ 10.3, преобразуют в цифровую форму. Данный сигнал с выхода АЦП 11.4 подают в ВУ 11.5, где формируют сигнал, положение во времени которого, совпадает с положением входного сигнала. Сформированный сигнал подают на выход устройства синхронизации 11.

Сигнал с выхода блока умножения 7 подают на вход ФНЧ 8, где его фильтруют. После чего сигнал преобразуют в цифровую форму в АЦП 9, и подают на вход ВУ 13.

В ВУ 13 сформированные отсчеты суммируют в соответствии с управляющим сигналом, который подают на второй вход ВУ 13 со второго выхода устройство управления 14. Данный управляющий сигнал содержит информацию о временном положении очередного информационного символа.

Решение о наличии сигнала первого или второго типа принимают по результату сравнения полученного значения с порогом. Данную информацию подают на выход устройства.

Результаты моделирования процесса принятия решения о наличии сигнала первого или второго типа приведены на стр. 7-8 описания.

ВУ 13 и ВУ 15 могут быть выполнены, например, в виде единого микропроцессорного устройства с соответствующим программным обеспечением, например, процессора серии TMS320VC5416 фирмы Texas Instruments.

Устройство управления 14 может быть выполнено, например, в виде программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) с соответствующим программным обеспечением, например, ПЛИС XCV400 фирмы Xilinx.

АЦП 9 и АЦП 11.4 могут быть выполнены, например, на микросхеме AD7495BR фирмы Analog Devices.

Таким образом, заявляемый способ может быть реализован описанным устройством.

Изобретение относится к радиотехнике. Технический результат - повышение помехоустойчивости средств связи, использующих фазоманипулированный сигнал, в условиях воздействия помех. Для этого формируют гармонический сигнал. Осуществляют фазирование псевдослучайных последовательностей, предназначенных для синхронизации (СП) и передачи информации (ИП), которую манипулируют по фазе в соответствии с битовой информационной последовательностью. Из сформированного сигнала формируют второй сигнал, сдвинутый относительно него на 90°. Сигналы манипулируют по фазе псевдослучайными последовательностями (ПСП). Фрагменты сигнала, которые манипулируют по фазе, содержат четное число периодов несущей частоты. Каждый сигнал также манипулируют по фазе так, что разность фаз сигналов, образующих n-й и (n+1)-й периоды, равна π. Сформированные сигналы суммируют, полученный сигнал усиливают и излучают в пространство. В приемном устройстве формируют копии ПСП с учетом того, что сигнал дополнительно манипулируют по фазе, и фазируют их с ПСП сигнала. После осуществления синхронизации входной сигнал перемножают с опорными сигналами. Затем сигналы фильтруют по полосе частот и преобразуют в цифровую форму. Полученные отсчеты суммируют. 5 ил., 1 табл.

Способ формирования фазоманипулированного сигнала с использованием дополнительной бинарной фазовой манипуляции, заключающийся в том, что формируют гармонический сигнал, осуществляют фазирование псевдослучайных последовательностей, одна из которых предназначена для синхронизации (СП), а вторая – для передачи информации (ИП), которую манипулируют по фазе в соответствии с битовой последовательностью, поступающей от источника информации, из сформированного сигнала формируют второй сигнал, сдвинутый относительно него на 90°, один из сигналов манипулируют по фазе (0°, 180°) первой псевдослучайной последовательностью, второй сигнал манипулируют по фазе второй псевдослучайной последовательностью, которая проманипулирована по фазе от источника информации, сформированные сигналы суммируют, полученный сигнал преобразуют соответствующим образом, усиливают и излучают в пространство; в приемном устройстве формируют две квазиортогональные или ортогональные псевдослучайные последовательности СП и ИП, которые являются копиями псевдослучайных последовательностей, сформированных в передатчике, осуществляют фазирование сформированных в приемнике псевдослучайных последовательностей – регистры генераторов устанавливают в одинаковое начальное состояние, входной сигнал усиливают в высокочастотном тракте и производят синхронизацию сформированных последовательностей с входным сигналом, после осуществления синхронизации входной сигнал перемножают с опорными псевдослучайными последовательностями, сформированными в приемнике, затем сигналы фильтруют по полосе частот, в результате данных операций из сигнала выделяют информацию, отличающийся тем, что каждый сигнал манипулируют по фазе (0°, 180°) так, что разность фаз сигналов, образующих n-й и (n+1)-й периоды, n=1, 2, 3, …, (N_п-1), равна , здесь N_п – число периодов, фрагменты сигнала, которые манипулируют по фазе, содержат четное число периодов несущей частоты; в приемнике псевдослучайные последовательности формируют с учетом того, что сигнал дополнительно манипулируют по фазе; при приеме сигнала после его умножения на опорные сигналы их обработку осуществляют одинаково, а именно результат умножения сигналов на соответствующие опорные сигналы фильтруют фильтрами нижней частоты (ФНЧ), полоса пропускания которых согласована с полосой сигнала; сигнал, который образуется на выходе ФНЧ, преобразуют в цифровую форму, полученные отсчеты суммируют.