Способ формирования помехоустойчивых широкополосных сигналов

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к беспроводной связи, и может быть использовано для повышения помехоустойчивости сигнала в системах связи. Способ включает формирование широкополосного сигнала, замену элементов последовательности передаваемых данных со значением 0 на элементы, имеющие значение -1. Для модуляции псевдослучайной последовательности длительностью N*τ, где τ может принимать значение от 1*10-6 до 100*10-6 секунд, используют любой сигнальный вектор $${\overrightarrow{q}}_i$$ , собственное число которого λ≈1, выбранный из набора собственных функций Q матрицы вида с элементами вида: $$a_{i,j}=\{\begin{array}{l}\frac{\sin (v(i-j))}{\pi (i-j)},i\ne k\\ v/\pi ,i=k\end{array}$$ , где индексы i,j=0, 1,…, L; k=0, 1, …, L; v - коэффициент, определяющий ширину канала связи формируемого сигнала v=π/6; L - размерность матрицы, т.е. количество отсчетов в сигнальном векторе от 64 до 1024. Формируют передаваемый сигнал согласно следующему выражению: x_z=e_k·q_d, где x_z - элемент сформированного помехоустойчивого сигнала $$\overrightarrow{x}$$ ; z - порядковый номер элемента сформированного сигнала z=0,1,2,…(N·L-1); k - порядковый номер элемента последовательности, рассчитывается как k=[z/L]+1; e_k - элемент результирующей передаваемой последовательности $${\overrightarrow{e}}_N$$ ; d - порядковый номер элемента вектора $${\overrightarrow{q}}_i$$ , рассчитывается как d=z-(k-1)L+1. Технический результат - увеличение ширины полосы частот сигнала в 2 раза по сравнению с шириной полосы частот сигнала, сформированного с использованием биортогональной вейвлет-функцией, что увеличивает помехоустойчивость и, соответственно, энергетическую эффективность систем радиосвязи без потерь в скорости передачи информации. 6 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к беспроводной связи, и может быть использовано для повышения помехоустойчивости передаваемых широкополосных сигналов в системах беспроводной связи.

Известен способ формирования фазоманипулированных сигналов в помехозащищенных системах [Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами [Текст]. М.: Радио и связь, 1985. - 384 с.], в котором с помощью линейного сдвигающего регистра, состоящего из k триггеров, формируется кодовая бинарная последовательность, элементы которой принимают значение 0 или 1 и состоящая из N элементов, где N=2^k-1. Далее каждому элементу последовательности ставится в соответствие радиоимпульс со своей начальной фазой. Если элемент последовательности имел значение 0, то ему ставится в соответствие отрезок синусоидального колебания с начальной фазой 0 градусов, если элемент последовательности имел значение 1, то ему ставится в соответствие отрезок синусоидального колебания с начальной фазой 180 градусов.

Недостатком данного способа является использование недостаточно оптимальной с энергетической точки зрения фазовой модуляции в качестве модулирующего сигнала, а также сравнительно узкий частотный диапазон, занимаемый сигналом, что уменьшает скрытность сигнала.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ формирования помехоустойчивых сигналов, использующий в качестве сигнального базиса биортогональные вейвлет-функции [Анжина В.А., Кузовников А.В., Кухтин В.К., Пашков А.Е., Сомов В.Г., Шайдуров Г.Я., Демаков Н.В. Способ формирования помехоустойчивых сигналов // Патент России №2412551. Дата публикации 20.02.2011 г.]. Согласно способу для формирования широкополосного сигнала используют расширение спектра сигнала методом псевдослучайной последовательности, которую модулируют с использованием биортогональных вейвлет-функций, при этом "0" и "1" модулируют противоположными биортогональными вейвлет-функциями.

Однако использование вейвлет-функций для повышения помехоустойчивости имеет недостаток в виде ограничения на ширину частотного диапазона формируемого сигнала, что обусловлено фиксированной длительностью биортогональной вейвлет-функций и не позволяет дополнительно расширить спектр сигнала и обеспечить потенциальную помехоустойчивость. Недостатком данного способа является также использование неоптимальных с точки зрения энергетической эффективности вейвлет-функций из-за больших флуктуаций их амплитуды.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа, обеспечивающего повышение помехоустойчивости сигнала в системах связи за счет расширения занимаемой им полосы частот и, как следствие, увеличение энергетической эффективности систем связи.

Технический результат заключается в увеличении ширины полосы частот и, как следствие, повышение помехоустойчивости сигнала в 2 раза, по сравнению с сигналом, сформированным с использованием биортогональной вейвлет-функции.

Поставленная задача достигается тем, что формирование сигналов с высокой помехоустойчивостью реализуется с использованием сигнального вектора, представляющего собой собственный вектор матрицы.

Для этого, в известный способ формирования помехоустойчивых сигналов, включающий расширение спектра сигнала методом псевдослучайной последовательности, вносят следующие новые признаки:

- производят замену элементов последовательности передаваемых данных со значением 0 на элементы, имеющие значение -1;

- для модуляции сформированной псевдослучайной последовательности длительностью N*τ, где τ может принимать значение от 1*10-6 до 100*10-6 сек, используют сигнальный вектор $${\overrightarrow{q}}_i$$ собственное число которого λ≈1, при этом осуществляют выборку указанного сигнального вектора из набора собственных функций $$Q=({\overrightarrow{q}}_1,{\overrightarrow{q}}_2,\dots ,{\overrightarrow{q}}_J)$$ матрицы вида A={a _i,j}, i,j=1, …, L с элементами вида:

где индексы i,j=0, 1, …, L; k=0, 1, …, L; ν - коэффициент, определяющий ширину канала связи формируемого сигнала, равный π/6; L - размерность матрицы, т.е. количество отсчетов в сигнальном векторе от 64 до 1024;

- формируют передаваемый сигнал согласно следующему выражению:

x_z=e_k·q_d,

где x_z - элемент сформированного помехоустойчивого сигнала $$\overrightarrow{x}$$ ; z - порядковый номер элемента сформированного сигнала z=0, 1, 2, … (N·L-1); k - порядковый номер элемента последовательности, рассчитывается как k=[z/L]+1; e_k - элемент результирующей передаваемой последовательности $${\overrightarrow{e}}_N$$ ; d - порядковый номер элемента вектора $${\overrightarrow{q}}_i$$ , рассчитывается как d=z-(k-1)L+1.

Критериям «новизна» и «изобретательский уровень» предложенный способ соответствует благодаря наличию следующих признаков:

- замена элементов последовательности передаваемых данных со значением 0 на элементы имеющие значение -1;

- вычисление собственных векторов $$Q=({\overrightarrow{q}}_1,{\overrightarrow{q}}_2,\dots ,{\overrightarrow{q}}_J)$$ матрицы А, где $${\overrightarrow{q}}_i$$ - собственный вектор матрицы вида A={a _i,j}, i,j=1, …, L с элементами вида:

;

где индексы i,j=0, 1, …, L; k=0, 1, …, L; v - коэффициент, определяющий ширину канала связи формируемого сигнала, равный п/6; L - размерность матрицы, т.е. количество отсчетов в сигнальном векторе от 64 до 1024;

- выборка сигнального вектора согласно критерию максимального собственного числа λ_N≈1;

- использование вышеуказанного сигнального вектора $${\overrightarrow{q}}_i=({\overrightarrow{q}}_1,{\overrightarrow{q}}_2,\dots ,{\overrightarrow{q}}_L)$$ для модуляции сформированной псевдослучайной последовательности длительностью N*τ, где τ может принимать значение от 1*10^-6 до 100*10^-6 сек;

- формирование передаваемого сигнала согласно следующему выражению: x_z=e_k·q_d;

где x_z - элемент сформированного помехоустойчивого сигнала $$\overrightarrow{x}$$ ; z - порядковый номер элемента сформированного сигнала z=0, 1, 2, … (N·L-1); k - порядковый номер элемента последовательности, рассчитывается как k=[z/L]+1; e_k - элемент результирующей передаваемой последовательности $${\overrightarrow{e}}_N$$ ; d - порядковый номер элемента вектора $${\overrightarrow{q}}_i$$ , рассчитывается как d=z-(k-1)L+1.

Перечисленные признаки в совокупности позволяют получить заявленный технический результат и из уровня техники не известны, так же, как и влияние наличия этих признаков на увеличение помехоустойчивости и повышение энергетической эффективности систем связи за счет существенного расширения спектра сигнала в частотной области.

Сущность изобретений поясняется изображениями, представленными на фигурах:

Фиг. 1 - вид сигнала, модулированный биортогональными вейвлет-функциями во временной области по прототипу;

Фиг. 2 - частотный спектр сигнала, модулированный биортогональными вейвлет-функциями по прототипу;

Фиг. 3 - вид сигнального вектора во временной области;

Фиг. 4 - вид передаваемого сигнала, сформированного на основе сигнального вектора во временной области;

Фиг. 5 - частотный спектр передаваемого сигнала, сформированного на основе сигнального вектора;

Фиг. 6 - таблица, в которой представлены значения ширины полосы частот в МГц, которую занимает сформированный сигнал при различных параметрах N, L и τ.

Способ осуществляют следующим образом:

1. Формируют с помощью линейного сдвигающего регистра, состоящего из k триггеров, кодовую бинарную последовательность, состоящую из N элементов, длительностью N*τ, где τ - длительность одного элемента (бита), принимающих значение 0 или 1, N=2^k-1. Сформированную кодовую последовательность записывают в регистр памяти №1. Параметр τ принимает значение от 1*10^-6 до 100*10^-6 сек. В случае, когда τ принимает значение меньше 1*10^-6 сек, возникает необходимость в высокой частоте дискретизации сигнала, что приводит к снижению стабильности работы системы в целом и ее удорожанию. В случае, когда τ принимает значение больше 100*10^-6 сек, скорость передачи информации становится недостаточной для использования таких систем.

2. Последовательность информационных бит поэлементно поступает на сумматор из регистра памяти №2, при этом длительность одного элемента информационной последовательности совпадает с длительностью всей кодовой последовательности и составляет N*τ.

3. Полученные кодовую последовательность и элемент информационной последовательности складывают в сумматоре друг с другом по модулю 2, получая тем самым результирующую передаваемую последовательность элементов $${\overrightarrow{e}}_N$$ , которую записывают в регистр памяти №3.

4. В результирующей последовательности передаваемых элементов $${\overrightarrow{e}}_N$$ производят замену элементов со значением 0 на элементы со значением -1.

5. С помощью сигнального процессора формируют и записывают в регистр памяти №4 матрицу А, элементы которой рассчитывают следующим образом:

где индексы i,j=0, 1, …, L; k=0, 1, …, L; ν - коэффициент, определяющий ширину канала связи формируемого сигнала, равен π/6; L - размерность матрицы, т.е. количество отсчетов в сигнальном векторе от 64 до 1024.

6. Выполняют с помощью сигнального процессора вычисление собственных векторов матрицы А, получая тем самым набор векторов $$Q=({\overrightarrow{q}}_1,{\overrightarrow{q}}_2,\dots ,{\overrightarrow{q}}_J)$$ , где $${\overrightarrow{q}}_i$$ - собственный вектор матрицы А.

7. В сигнальном процессоре осуществляют выборку сигнального вектора $${\overrightarrow{q}}_i$$ согласно критерию максимального собственного числа λ_N≈1. В случае, если количество вычисленных собственных векторов, удовлетворяющих условию λ≈1, больше чем 1, то выбирают один любой из всего набора векторов Q.

8. В умножителе последовательно умножают каждый элемент e_k результирующей последовательности $${\overrightarrow{e}}_N$$ на выбранный сигнальный вектор $${\overrightarrow{q}}_i$$ , формируя тем самым передаваемый сигнал согласно следующему выражению:

x_z=e_k·q_d,

где x_z - элемент сформированного помехоустойчивого сигнала $$\overrightarrow{x}$$ ; z - порядковый номер элемента сформированного сигнала, z=0, 1, 2, … (N·L-1); k - порядковый номер элемента последовательности, рассчитывается как k=[z/L]+1; e_k - элемент результирующей передаваемой последовательности $${\overrightarrow{e}}_N$$ ; d - порядковый номер элемента вектора $${\overrightarrow{q}}_i$$ , рассчитывается как d=z-(k-1)L+1;

9. Умножают полученный сигнал x_z на несущую частоту и передают в канал связи.

Совокупность вышеперечисленных признаков позволяет формировать сигналы при передаче цифровой информации с высокой помехоустойчивостью за счет использования в качестве модулирующего сигнала сигнального вектора $${\overrightarrow{q}}_i$$ матрицы А со значением собственного числа λ≈1, что позволяет существенно расширить диапазон занимаемых передаваемым сигналом частот и подтверждается энергетическим спектром, представленным на фиг. 5.

Вид сигнального вектора во временной области представлен на фиг. 3. Сигнал, модулированный по предложенному способу, представлен на фиг. 4, и сравнение его с сигналом, модулированным способом по прототипу на фиг. 1, демонстрирует, что флуктуации его амплитуды значительно меньше, чем у прототипа, следовательно, выше энергетическая эффективность.

Анализ полученных спектров на фиг. 2 и фиг. 5 показал увеличение ширины полосы сигнала, сформированного с использованием сигнальных векторов, в 2 раза по сравнению с шириной полосы сигнала, модулированного биортогональной вейвлет-функцией, что приводит к увеличению в 2 раза помехоустойчивости полученного сигнала, т.к. увеличение помехоустойчивости полученного сигнала пропорционально увеличению ширины полосы, занимаемой сигналом (ΔF), согласно выражению:

где ΔF - ширина спектра сигнала; Т_с - длительность сигнала; Р_с - мощность сигнала в полосе ΔF; Р_ш - мощность шума в полосе частот ΔF; р_ош - вероятность ошибочного приема; Ф(h) - функция Крампа [Зюко А.Г., Кловский Д.Д., Назаров М.В. Теория передачи сигналов [Текст]. М.: Радио и связь, 1986. - 304 с.].

Примеры значений ширины полосы частот в МГц, которую занимает сформированный сигнал при различных параметрах N, L, и τ, представленные в таблице на фиг. 6 подтверждают стабильность ширины спектра сигнала при заявленных параметрах N, L и τ.

В результате использования предложенного технического решения благодаря применению сигнального вектора матрицы удается формировать широкополосные сигналы, ширина спектра которых в 2 раза превосходит прототип, что позволяет пропорционально увеличить помехоустойчивость и, соответственно, энергетическую эффективность систем радиосвязи без потерь в скорости передачи информации.

Способ формирования помехоустойчивых широкополосных сигналов, включающий расширение спектра сигнала методом псевдослучайной последовательности, отличающийся тем, что получают результирующую передаваемую последовательность элементов $${\overrightarrow{e}}_N$$ , складывая в сумматоре по модулю 2 полученную с помощью линейного сдвигающего регистра кодовую бинарную последовательность и информационный бит как элемент информационной последовательности, затем полученную результирующую передаваемую последовательность записывают в регистр памяти, для формирования псевдослучайной последовательности производят в полученной результирующей передаваемой последовательности $${\overrightarrow{e}}_N$$ замену ее элементов e_k со значением 0 на элементы со значением -1, модулируют сформированную псевдослучайную последовательность длительностью N*τ, где N - количество элементов бинарной кодовой последовательности, τ - длительность одного элемента кодовой бинарной последовательности, которая может принимать значение от 1*10^-6 до 100*10^-6 секунд путем использования любого сигнального вектора $${\overrightarrow{q}}_i$$ , собственное число которого λ≈1, выбранного из набора собственных функций $$Q=({\overrightarrow{q}}_1,{\overrightarrow{q}}_2,\dots ,{\overrightarrow{q}}_J)$$ матрицы вида А={a _i,j}, i,j=1, …, L, для чего с помощью сигнального процессора формируют и записывают в регистр памяти матрицу А с элементами вида:

где индексы i,j=0, 1, …, L; k=0, 1, …, L; ν - коэффициент, определяющий ширину канала связи формируемого сигнала ν=π/6; L - размерность матрицы, т.е. количество отсчетов в сигнальном векторе от 64 до 1024, после чего формируют передаваемый сигнал $$\overrightarrow{x}$$ , элементы которого рассчитывают согласно следующему выражению:
x_z=e_k·q_d,_,
где x_z - элемент сформированного помехоустойчивого сигнала $$\overrightarrow{x}$$ ; z - порядковый номер элемента сформированного помехоустойчивого сигнала z=0, 1, 2, … (N·L-1); k - порядковый номер элемента последовательности, рассчитывается как k=[z/L]+1; e_k - элемент результирующей передаваемой последовательности $${\overrightarrow{e}}_N$$ ; d - порядковый номер элемента вектора $${\overrightarrow{q}}_i$$ , рассчитывается как d=z-(k-1)L+1, затем умножают элемент сформированного помехоустойчивого сигнала на несущую частоту и передают в канал связи.