Способ передачи информации с внутрисимвольной псевдослучайной перестройкой рабочей частоты с использованием хаотических сигналов
Владельцы патента RU 2585979:
Открытое акционерное общество "Российский институт мощного радиостроения" (RU)
Изобретение относится к технике связи и может быть использовано в системах передачи данных с повышенными требованиями к разведзащищенности и защите от организованных и непреднамеренных помех. Техническим результатом способа является повышение скорости передачи информации по сравнению с классической системой с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты, а также повышение разведзащищенности. Для этого распределяют мощность сигнала в полосе, связанной как с перестройкой несущей частоты, так и с использованием хаотических сигналов. При этом хаотические сигналы не повторяются от символа к символу. Кроме того, предусмотрено разнесение символов на независимые частотные элементы, каждый из которых передается на своей частоте в соответствии с заданной псевдослучайной последовательностью, при этом каждый частотный элемент является фрагментом одного из заданного ансамбля хаотического сигнала. 5 ил.
Изобретение относится к технике связи и может быть использовано в системах передачи данных с повышенными требованиями к разведзащищенности и помехозащищенности от организованных и непреднамеренных помех.
Наиболее эффективным способом для достижения повышенной развед- и помехозащищенности систем радиосвязи является использование сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. При этом сигнал занимает полосу частот более широкую по сравнению с полосой, минимально необходимой для передачи информации.
Известны варианты систем радиосвязи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты, описанные в [1].
Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ передачи информации с внутрисимвольной псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (патент РФ №2533077 от 20.11.2014), принятый за прототип. Способ состоит в том, что на передающей стороне полезная информация разбивается на символы, каждый длиною в несколько бит, которые в свою очередь разносятся на независимые частотные элементы, каждый из которых передается поочередно на своей частоте в соответствии с заданной псевдослучайной последовательностью, при этом каждый частотный элемент представляет собой одну из заданного ансамбля ортогональных фазомодулированных кодовых последовательностей, одинаковую в пределах одного символа, номер которой также связан с передаваемым символом, а на приемной стороне осуществляется прием посимвольно на всех возможных, в соответствии с заданной псевдослучайной последовательностью, для данного символа частотах, при этом для каждого частотного элемента определяется номер несущей частоты и номер кодовой последовательности, после чего составляется частотно-временная матрица, на основании которой, а также с учетом номера кодовой последовательности определяется передаваемый символ и соответствующие символу биты информации передаются получателю сообщения.
Недостатком прототипа является то, что количество сравнительно коротких кодовых последовательностей (например, М-последовательностей) с низкоуровневыми взаимокорреляционными функциями весьма ограничено, что ограничивает скорость передачи. Кроме того, повторение некоторого небольшого ансамбля фазомодулированных кодовых последовательностей снижает разведзащищенность и позволяет ставить помеху в след.
Целью изобретения является повышение развед- и помехозащищенности радиосвязи и обеспечение при этом достаточно высокой скорости передачи данных.
Поставленная цель достигается тем, что способ передачи информации с внутрисимвольной псевдослучайной перестройкой рабочей частоты с использованием хаотических сигналов, заключающийся в том, что на передающей стороне полезную информацию разбивают на символы, каждый длиною в несколько бит, которые в свою очередь разносят на независимые частотные элементы, каждый из которых передают поочередно на своей частоте в соответствии с заданной псевдослучайной последовательностью, при этом каждый частотный элемент представляет собой фрагмент одного из заданного ансамбля хаотического сигнала, причем каждый следующий частотный элемент в пределах символа является продолжением одного хаотического сигнала, номер которого связан с передаваемым символом, а на приемной стороне осуществляют прием посимвольно на всех возможных, в соответствии с заданной псевдослучайной последовательностью, для данного символа частотах, при этом для каждого частотного элемента определяют номер несущей частоты и номер хаотического сигнала, после чего составляют частотно-временная матрицу, на основании которой, а также с учетом номера хаотического сигнала определяют передаваемый символ и соответствующие символу биты информации передают получателю сообщений.
Работа способа осуществляется следующим образом.
На передающей стороне от источника сообщений поступают информационные блоки бит фиксированной длины - символы. Для каждого передаваемого символа в соответствии с заданной псевдослучайной последовательностью выбирают набор частот fk, k=0…K-1 и в результате формируют частотно-временную матрицу. Возможный вид такой матрицы изображен на фиг. 1 для случая K=4, в соответствие которой ставятся комбинации бит. При этом каждый частотный элемент представляет собой фрагмент определенного хаотического сигнала из заданного ансамбля M=2m. Теория и способы генерации хаотических сигналов описаны в [2-3], а в [4] описан способ генерации хаотических сигналов в заданной частотной полосе с помощью почти периодических функций. Каждый следующий частотный элемент в пределах символа является продолжением одного хаотического сигнала и соответствует дополнительной битовой комбинации символа. На приемной стороне при приеме очередного символа производят поиск всех хаотических сигналов на всех возможных для данного символа частотах fk, k=0…K-1. В результате принятому символу ставят в соответствие комбинацию бит, передаваемую получателю сообщения. Например, для случая K=4, M=2 один символ переносит 3 бита информации.
На фиг. 2 представлена структурная схема передающего устройства, в основе которого лежит предлагаемый способ передачи информации с внутрисимвольной псевдослучайной перестройкой рабочей частоты с использованием хаотических сигналов.
Она содержит:
1 - источник сообщений;
2 - блок выбора хаотического сигнала;
3 - блок заполнения ЧВМ;
4.1, 4.2 - генераторы хаотических сигналов -1 и -2;
5 - переключатель;
6 - генератор псевдослучайных чисел;
7 - блок выбора частот;
8.0, 8.1, 8.2, 8.3 - фильтры 0, 1, 2 и 3 соответственно.
Рассмотрим работу передающего устройства для случая K=4, M=2. От источника сообщений 1 поступают информационные блоки фиксированной длины из L=3 бит - символы. В соответствие одному из бит символа в блоке выбора хаотического сигнала 2 ставится один определенный хаотический сигнал, генерируемый в генераторах хаотических сигналов 4.1 и 4.2, а в соответствии с двумя другими битами в блоке заполнения ЧВМ (частотно-временной матрицы) 3 определяется схема переключения. Одновременно с этим посредством работы генератора псевдослучайных чисел 6 из бока выбора частот 7 выбираются четыре возможные частоты fk, k=0…3, сообщаемые соответствующим фильтрам 0, 1, 2 и 3 (блоки 8.0, 8.1, 8.2 и 8.3 соответственно). Частоты fk, k=0…3 являются центральными частотами фильтров, причем полоса частот этих фильтров относительно не велика и значительно меньше выделенной общей полосы частот передачи. Выбранный в блоке 2 хаотический сигнал через переключатель 5, управляемый в соответствии со схемой переключения, полученной в блоке заполнения ЧВМ 3, поступает поочередно через равные промежутки времени на один из входов фильтров 8.0, 8.1, 8.2, 8.3, причем переключение происходит так, что номера выбранных частот изменяются по закону: (k+j)mod4, где k - номер первой используемой частоты; j - номер временного такта (j=0…3).
На фиг. 3 показана частотно-временная диаграммы работы передающего устройства для случая K=4, M=2 на примере передачи трех символов. Генераторы хаотических сигналов 2 (фиг. 2) генерируют M=2 хаотических сигнала Х0 и X1, временные интервалы передачи (фрагменты) которых показанных на фиг. 3 снизу. Допустим первый символ сообщения есть [0 0 0], что соответствует ЧВМ [0 0] (см. фиг. 1) и хаотическому сигналу Х0. В этом случае в соответствующие интервалы времени Т0-1, Т1-1, Т2-1, Т3-1 на соответствующих частотах f0-1, f1-1, f2-1, f3-1 передаются фрагменты хаотического сигнала Х0-0, Х0-1, Х0-2, Х0-3. Второй символ сообщения представляет собой [1 1 1], что соответствует ЧВМ [1 1] (см. фиг. 1) и хаотическому сигналу X1. В этом случае в соответствующие интервалы времени Т0-2, Т1-2, Т2-2, Т3-2 на соответствующих частотах f2-2, f3-2, f0-2, f1-2 передаются фрагменты хаотического сигнала X1-4, X1-5, X1-6, X1-7. Третий символ сообщения [1 0 0]. Аналогично в соответствующие интервалы времени Т0-3, Τ1-3, Т2-3, Т3-3 на соответствующих частотах f1-3, f2-3, f3-3, f0-3 передаются фрагменты хаотического сигнала Х0-8, Х0-9, Х0-10, Х0-11.
Важно отметить, что ни один фрагмент хаотических сигналов не повторяется от символа к символу, а также то, что даже если хаотический сигнал X1 не передавался в первом символе, он все равно был сгенерирован, а во втором символе, где он уже передавался, то передавались не его первые фрагменты, а фрагменты, соответствующие данному моменту времени.
Структурная схема приемного устройства для случая K=4, M=2 показана на фиг. 4.
Она содержит:
1.0, 1.1, 1.2, 1.3 - блоки задержки - 0, 1, 2, 3;
2 - блок формирования гипотез;
3.1, 3.2 - генераторы хаотических сигналов -1 и -2;
4 - генератор псевдослучайных чисел;
5 - блок выбора частот;
6 - блок принятия решения;
7 - получатель сообщений.
Приемное устройство работает следующим образом. Принимаемый сигнал поступает на вход приемного устройства, откуда поступает на блоки задержки-0, 1, 2, 3 - 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, причем на выходе блока задержки-0 1.0 сигнал соответствует нулевому частотному элементу, то есть интервалу Т0, на выходе блока задержки-1 1.1 - Τ1, на выходе блока задержки-2 1.2 - Т2, на выходе блока задержки-3 1.3 - Т3. Каждый частотный элемент поступает на соответствующие входы 0, 1, 2, 3 блока формирования гипотез 2, который настроен на определенные частоты, поступившие из блока выбора частот 5, в соответствии с генератором псевдослучайных чисел 4, а также на входы блока формирования гипотез 2 с выходов генераторов хаотических сигналов-1 и -2 4.1 и 4.2 поступают два хаотических сигнала. Набор из восьми гипотез на выходах 0…7 блока формирования гипотез 2 подают на вход бока принятия решения 6, где принимают решение о принятом символе, а соответствующую этому символу битовую комбинацию передают на вход получателя сообщений 7.
Функционирование блока формирования гипотез поясняет фиг. 5. Она содержит:
1.0, 1.1…8.3 - корреляторы 1.0, 1.1…8.3;
9.0, 9.1…9.31 - блок возведения в квадрат;
10.0, 10.1…10.31 - блок умножения на весовой коэффициент;
11.0, 11.1…11.7 - сумматор.
Блок формирования гипотез функционирует следующим образом. С входов j=0…3 сигнал поступает на корреляторы 1.0, 1.1…8.3, причем корреляторы настроены на определенный хаотический сигнал и определенную частоту fk, k=0…3, поступившие с соответствующих входов (см. фиг. 4). Корреляторы настроены следующим образом: запишем номер коррелятора как «h.j», а N=1, 2, 3… - номер принимаемого символа. Тогда:
- номер частоты, на которую настроен коррелятор, будет вычисляться как: k=(h+j-1)mod4;
- номер фрагмента хаотического сигнала: M.j′. Причем M=[h/4] - номер хаотического сигнала, где […] - обозначена операция округления в большую сторону, j′=j+4(N-1) номер фрагмента хаотического сигнала.
Коэффициенты на выходе корреляторов имеют вид:
,
где 
- фрагмент хаотического сигнала, на который настроен соответствующий коррелятор, Xj′ - фрагмент хаотического сигнала, поступивший с соответствующего входа, при этом номер поступившего хаотического сигнала не известен, Т - длительность фрагмента.
Значения коэффициентов возводят в квадрат в блоках возведения в квадрат 9.0…9.31, после чего в блоках умножения на коэффициент 10.0…10.31 умножают на коэффициент вида: 
, где
.
Данные весовые коэффициенты вводятся для того, чтобы учесть влияние шумовой составляющей. Результаты перемножения на выходе блоков умножения на коэффициент 10.0…10.31:
поступают на входы соответствующих сумматоров 11.0…11.7, на выходе которых получают числовые значения - гипотезы.
В блоке принятия решения 6 (см. фиг. 4) осуществляют выбор в пользу максимальной гипотезы и определяют соответствующий гипотезе символ, а соответствующую символу комбинацию бит передают получателю сообщений 7.
Предлагаемый способ передачи информации с внутрисимвольной псевдослучайной перестройкой рабочей частоты с использованием хаотических сигналов позволяет повысить помехозащищенность за счет быстрой перестройки частоты по псевдослучайному закону, а также повысить разведзащищенность за счет распределения мощности сигнала в полосе, связанной как с перестройкой несущей частоты, так и с использованием хаотических сигналов. При этом хаотические сигналы не повторяются от символа к символу, что делает невозможным постановку помехи в след. Использование ансамбля хаотических сигналов также позволяет увеличить скорость передачи информации, так как существует возможность сгенерировать достаточно большое количество независимых хаотических сигналов с низкоуровневыми взаимокорреляционными функциями.
Литература
1. В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, Н.П. Мухин, В.И. Шестопалов. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты, "Радио и связь", М., 2000. - 384 с.
2. Р. Кроновер. Фракталы и хаос в динамических системах. - М.: Техносфера, 2006. - 488 с.
3. Г. Бор. Почти периодические функции: Пер. с нем. Изд. 2-е, стереотипное. - М.: Едиториал УРСС, 2005. - 128 с.
4. В.В. Егоров, М.С. Смаль. Использование почти периодических функций для создания хаотических сигналов. // журнал радиоэлектроники: электронный журнал, 2013 №8. URL: http://jre.cplire.ru/jre/augl3/10/text.pdf.
Способ передачи информации с внутрисимвольной псевдослучайной перестройкой рабочей частоты с использованием хаотических сигналов, состоящий в том, что на передающей стороне полезную информацию разбивают на символы, каждый длиною в несколько бит, которые в свою очередь разносят на независимые частотные элементы, каждый из которых передают поочередно на своей частоте в соответствии с заданной псевдослучайной последовательностью, отличающийся тем, что каждый частотный элемент представляет собой фрагмент одного из заданного ансамбля хаотического сигнала, причем каждый следующий частотный элемент в пределах символа является продолжением одного хаотического сигнала, номер которого связан с передаваемым символом, а на приемной стороне осуществляют прием посимвольно на всех возможных, в соответствии с заданной псевдослучайной последовательностью, для данного символа частотах, при этом для каждого частотного элемента определяют номер несущей частоты и номер хаотического сигнала, после чего составляют частотно-временную матрицу, на основании которой, а также с учетом номера хаотического сигнала определяют передаваемый символ и соответствующие символу биты информации передают получателю сообщений.
