Способ формирования фазоманипулированных сигналов посредством последовательной конкатенации радиоимпульсов
Владельцы патента RU 2731881:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения" (RU)
Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для повышения символьной скорости в частотно ограниченных радиоканалах. Техническим результатом заявляемого способа является формирование манипулированных сигналов на основе вейвлет Гаусса первого порядка (ВГПП), обеспечивающих большую символьную скорость без расширения занимаемой полосы частот. Для этого предложен способ формирования фазоманипулированных сигналов посредством последовательной конкатенации радиоимпульсов, в котором из цифровой последовательности формируют управляющую импульсную последовательность в соответствии с предварительно заданной скоростью манипуляции. Затем формируют манипулирующие радиоимпульсы на основе прямой и обратной формы модифицированного ВГПП, которые в соответствии с цифровой последовательностью подают на ключевое устройство с двумя входами, на выходе которого и получают результирующий фазоманипулированный сигнал. 8 ил.
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для повышения символьной скорости в частотно ограниченных радиоканалах.
В известных источниках для формирования манипулированных сигналов использовались различные типы вейвлет-функций.
Так в (Дворников С.В., Дворников С.С., Спирин A.M. Синтез манипулированных сигналов на основе вейвлет-функций. Информационные технологии. 2013. №12. С.52-55; и в Дворников С.В., Дьяконов В.В., Дворников С.С., Железняк А.В. Синтез вейвлет-манипулированных сигналов. Вестник Полоцкого государственного университета. Серия С: Фундаментальные науки. 2013. №12. С. 14-17) предлагается при формировании манипулированных сигналов использовать в качестве несущих вейвлеты различных порядков.
Недостаток такого способа в том, что он приводит к расширению спектра.
В (Дворников СВ., Погорелов А.А., Манаенко С.С., Кислицина К.К., Железняк А.В., Дворников С.С., Рябенко Д.С. Формирование фазоманипулированных сигналов в базисах вейвлет-функций. Вестник Полоцкого государственного университета. Серия С: Фундаментальные науки. 2014. №12. С. 12-15) предлагается для формирования манипулированных сигналов использовать вейвлет Гаусса прямой и инверсной структуры.
Недостатком является то, что при равной символьной скорости с традиционными сигналами фазовой манипуляции, формируемые на его основе сигналы, занимают большую полосу частот.
В (Дворников С.В., Манаенко С.С., Дворников С.С., Погорелов А.А. Синтез фазоманипулированных вейвлет-сигналов. Информационные технологии. 2015. Т. 21. №2. С. 140-143); Дворников С.С., Пшеничников А.В. Предложения по формированию сигналов методом последовательной конкатенации вейвлет-функций. Труды учебных заведений связи. 2016. Т. 2. №2. С. 48-54; и (Дворников С.С., Рашич А.В., Булаева Ю.Е. Фазоманипулированные вейвлет-сигналы. Научная мысль. 2016. №1. С.56-61) предлагается формировать манипулированные сигналы на основе вейвлетов путем их последовательной конкатенации. Однако, формируемые таким образом сигналы по своим свойствам аналогичны сигналам, синтезируемым в соответствии с подходом, предложенным в (Дворников С.В., Погорелов А.А., Манаенко С.С., Кислицина К.К., Железняк А.В., Дворников С.С., Рябенко Д.С Формирование фазоманипулированных сигналов в базисах вейвлет-функций. Вестник Полоцкого государственного университета. Серия С: Фундаментальные науки. 2014. №12. С. 12-15).
Следовательно, недостаток указанного способа в том, что при равной символьной скорости с традиционными сигналами фазовой манипуляции, формируемые на его основе сигналы, занимают большую полосу частот.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому изобретению, является «Способ формирования гибридных фазоманипулированных сигналов посредством последовательной конкатенации радиоимпульсов» (Патент RU №2702750, от 27.11.2018, МПК H04L 27/20, опубл. 11.10.2019, Бюл. №29).
Сущность способа-прототипа заключающаяся в том, что из цифровой последовательности информационных нулей и единиц формируют колебания, которые суммируют, при этом из цифровой последовательности информационных нулей и единиц формируют управляющую импульсную последовательность (УИП), причем длительности каждого из импульсов сформированной УИП равны между собой, и соответствуют предварительно заданной скорости манипуляции гибридного фазоманипулированного сигнала (ГФС), затем формируют манипулирующие радиоимпульсы, для манипуляции информационных нулей и единиц, а в качестве радиоимпульсов выбирают гармоническое колебание на длительности одного периода и вейвлет Гаусса первого порядка (ВГПП), при этом амплитудное значение ВГПП уменьшают до уровня значения амплитуды гармонического колебания, причем длительность периода гармонического колебания и длительность ВГПП, определенных в качестве манипулирующих радиоимпульсов, выбирают равными длительностям импульсов сформированной УИП, формируют результирующие ГФС посредством последовательной конкатенации манипулирующих радиоимпульсов с использованием ключевого устройства с двумя входами (КУДВ), для чего манипулирующие радиоимпульсы подают на КУДВ, входы которого переключают под воздействием сформированной УИП, при этом на первый вход КУДВ подают радиоимпульс, сформированный из гармонического колебания на длительности одного периода, а на второй вход - подают радиоимпульс, сформированный из ВГПП, сформированные радиоимпульсы подают на входы КУДВ таким образом, чтобы их фазы в результирующих ГФС были противоположными друг другу, при этом, если для манипуляции информационного нуля используют радиоимпульс, сформированный из гармонического колебания на длительности одного периода, то для манипуляции информационной единицы используют радиоимпульс, сформированный из ВГПП, и, наоборот, в случае изменения скорости манипуляции изменяют длительности каждого из импульсов сформированной УИП, и, соответственно, длительность периода гармонического колебания и длительность ВГПП, определенных в качестве манипулирующих радиоимпульсов, а на выходе КУДВ получают результирующие ГФС, сформированные посредством последовательной конкатенации радиоимпульсов. Гибридность результирующего сигнала заключается в том, для его формирования использованы фрагменты радиосигналов из различных функциональных базисов.
Недостаток способа-прототипа в том, что используемые в нем вейвлеты Гаусса первого порядка при одинаковой по отношению к радиоимпульсам, сформированным из гармонического колебания, ширине занимаемой полосы частот, будут иметь более длительный временной интервал. В результате, сформированные на основе вейвлетов Гаусса первого порядка манипулированные сигналы будут иметь меньшую символьную скорость по сравнению с сигналами, на основе радиоимпульсов, сформированных из гармонического колебания.
Из [Дворников С.С., Пшеничников А.В. Предложения по формированию сигналов методом последовательной конкатенации вейвлет-функций. Труды учебных заведений связи. 2016. Т. 2. №2. С. 48-54;] известно, что ВГПП при равной длительности с радиоимпульсами, сформированными из гармонического колебания, занимают более широкую полосу частот по отношению к последним.
Задачей изобретения является создание способа, расширяющего область его применения, и позволяющего формировать манипулированные сигналы с более высокой символьной скоростью без расширения занимаемой полосы частот.
Техническим результатом заявляемого способа является уменьшение длительности временного интервала радиоимпульсов, сформированных из вейвлетов Гаусса первого порядка, при сохранении занимаемой ими полосы частот.
В заявляемом способе технический результат достигается тем, что из цифровой последовательности информационных нулей и единиц формируют УИП, причем длительности каждого из импульсов сформированной УИП равны между собой, затем формируют манипулирующие радиоимпульсы, для манипуляции информационных нулей и единиц, а в качестве радиоимпульсов выбирают ВГПП, причем длительность ВГПП, определенного в качестве манипулирующих радиоимпульсов, выбирают равным длительностям импульсов сформированной УИП, формируют результирующие фазоманипулированные сигналы посредством последовательной конкатенации манипулирующих радиоимпульсов с использованием КУДВ, для чего манипулирующие радиоимпульсы подают на КУДВ, входы которого переключают под воздействием сформированной УИП, сформированные радиоимпульсы подают на входы КУДВ таким образом, чтобы их фазы в результирующих фазоманипулированных сигналах были противоположными друг другу, в случае изменения скорости манипуляции изменяют длительности каждого из импульсов сформированной УИП, и соответственно, длительность ВГПП, определенного в качестве манипулирующих радиоимпульсов, а на выходе КУДВ получают результирующие фазоманипулированные сигналы, сформированные посредством последовательной конкатенации радиоимпульсов, при этом предварительно в сформированном в качестве радиоимпульса ВГПП обнуляют дискретные временные отсчеты так, чтобы в оставшейся части сохранилось 99,2% энергии, в результате получают усеченный ВГПП, затем путем применения процедуры преобразования Фурье из усеченного ВГПП формируют функцию распределения спектральных составляющих усеченного ВГПП, после чего в функции распределения спектральных составляющих усеченного ВГПП обнуляют спектральные компоненты, находящиеся за пределами главного лепестка спектра, в результате получают модифицированную функцию распределения спектральных составляющих усеченного ВГПП, затем путем применения процедуры обратного преобразования Фурье из модифицированной функции распределения спектральных составляющих усеченного ВГПП формируют модифицированный ВГПП, используемый в качестве радиоимпульса, который подают на входы КУДВ, после этого уменьшают длительности импульсов сформированной УИП таким образом, чтобы они соответствовали длительности модифицированного ВГПП, используемого в качестве радиоимпульса, при этом на первый вход КУДВ подают радиоимпульс в виде прямой формы модифицированного ВГПП, а на второй - в виде обратной формы модифицированного ВГПП, в результате, в сформированных фазоманипулированных сигналах радиоимпульсы на основе модифицированного ВГПП будут противоположными друг другу.
Таким образом, в заявляемом изобретении за счет совокупности новых существенных признаков, заключающихся в обнулении дискретных временных отсчетов, формировании функции распределения спектральных составляющих усеченного ВГПП, обнулении спектральных компонентов, находящиеся за пределами главного лепестка спектра, формировании модифицированного ВГПП, уменьшении длительности импульсов сформированной УИП и подаче на входы КУДВ радиоимпульсов в виде прямой и обратной формы модифицированного ВГПП, происходит увеличение числа сформированных манипулированных радиоимпульсов на заданном временном интервале. Это позволяет повысить символьную скорость сформированных манипулированных сигналов на основе ВГПП, без расширения занимаемой полосы частот и получить технический результат.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 показаны временные эпюры, поясняющие последовательность и сущность процедур формирования импульсов УИП из цифровой последовательности информационных нулей и единиц;
на фиг. 2 показана функция распределения энергии ВГПП по времени. Точки А и Б показывают границы усечения исходного ВГПП w>j (t);
на фиг. 3 показан исходный ВГПП w1(t) и усеченный ВГПП
Точки А и £ показывают границы усечения исходного ВГПП;
на фиг. 4 показаны функции распределения спектральных составляющих: исходного ВГПП 
усеченного ВГПП 
и усеченного ВГПП с обнуленными спектральными компонентами 
находящимися за пределами главного лепестка спектра, точка В 
- модифицированная функция распределения спектральных составляющих усеченного ВГПП);
на фиг. 5 показан исходный ВГПП w1(t) и модифицированный ВГПП z(t);
на фиг. 6 показан принцип уменьшения импульса УИП до размера модифицированного ВГПП. Точка Г показывает границу уменьшения длительности исходного импульса УИП;
на фиг. 7 показан принцип формирования фазоманипулированных сигналов путем последовательной конкатенации радиоимпульсов, подключаемых посредством КУДВ;
на фиг. 8 показаны фрагменты фазоманипулированных сигналов на основе ВГПП и модифицированного ВГПП и их спектры.
Реализация заявляемого способа формирования фазоманипулированных сигналов посредством последовательной конкатенации радиоимпульсов предусматривает выполнение следующих операций.
1. Из цифровой последовательности информационных нулей и единиц формируют УИП. При этом длительность единичной импульсной посылки определяет скорость передачи (символьную скорость). В общем случае, последовательность может быть любой: нулю соответствовать импульс положительной полярности, а единице - отрицательной полярности; нулю соответствовать импульс отрицательной полярности, а единице - положительной полярности. В качестве примера, показаны: на фиг. 1а информационные символы; на фиг. 1б информационные импульсы УИП.
2. Формируют манипулирующие радиоимпульсы, для манипуляции информационных нулей и единиц. В качестве радиоимпульсов выбирают прямую форму ВГПП и обратную форму ВГПП. В качестве примера, показаны: на фиг. 1в манипулирующие радиоимпульсы в виде прямой формы ВГПП и в виде обратной формы ВГПП, соответствующие информационному нулю и единице.
3. В сформированном в качестве радиоимпульса ВГПП обнуляют дискретные временные отсчеты так, чтобы в оставшемся радиоимпульсе сохранилось 99,2% энергии, в результате получают усеченный ВГПП.
Для получения усеченного ВГПП с помощью интегратора формируют функцию распределения энергии ВГПП по времени э0(t).
Пример функции распределения энергии ВГПП по времени показан на фиг. 2.
Затем, равномерно усекают временные отсчеты с начала и конца ВГПП (см. фиг. 2, точки А и Б) таким образом, чтобы в оставшейся функции распределения энергии ВГПП осталось 99,2% энергии, от ее первоначального значения, таким образом получают усеченный ВГПП. Усечение временных отсчетов можно осуществить путем применения процедур фильтраций или перемножением их на нулевые значения.
4. Затем путем применения процедуры преобразования Фурье из усеченного ВГПП формируют функцию распределения спектральных составляющих усеченного ВГПП (см. фиг. 3 и фиг 4).
5. После чего в функции распределения спектральных составляющих усеченного ВГПП обнуляют спектральные компоненты, находящиеся за пределами главного лепестка спектра, в результате получают модифицированную функцию распределения спектральных составляющих усеченного ВГПП (см. фиг. 4).
Обнуление спектральных компонентов, находящихся за пределами главного лепестка спектра осуществляют путем фильтрации или перемножения на нулевые значения.
6. Затем путем применения процедуры обратного преобразования Фурье из модифицированной функции распределения спектральных составляющих усеченного ВГПП формируют модифицированный ВГПП, используемый в качестве радиоимпульса, который подают на входы КУДВ, (см. фиг. 5).
7. После этого уменьшают длительности импульсов сформированной УИП таким образом, чтобы они соответствовали длительности модифицированного ВГПП, используемого в качестве радиоимпульса.
На фиг. 6а точка Г показывает уровень уменьшения импульса УИП до длительности модифицированного ВГПП, на фиг. 6б показан импульс УИП и ВГПП.
Уменьшить длительность импульсов УИП можно путем обнуления временных отсчетов.
8. При этом на первый вход КУДВ подают радиоимпульс в виде прямой формы модифицированного ВГПП, а на второй - в виде обратной формы модифицированного ВГПП. В результате, в сформированных фазоманипулированных сигналах радиоимпульсы на основе модифицированного ВГПП будут противоположными друг другу, (см. фиг. 7). Сам процесс конкатенации реализован посредством КУДВ и заключается в последовательном объединении сформированных радиоимпульсов в целостную последовательность, представляющую собой результирующий фазоманипулированный сигнал.
В качестве примера, на фиг. 7 показан принцип формирования фазоманипулированных сигналов путем последовательной конкатенации радиоимпульсов, подключаемых посредством КУДВ.
В качестве примера достижения технического результата заявляемого изобретения на фиг. 8 показаны последовательности фазоманипулированных сигналов равной длительности и их спектры, сформированные на основе исходного ВГПП и модифицированного ВГПП.
Таким образом, в заявляемом способе при его реализации за счет последовательной конкатенации радиоимпульсов, сформированных на основе модифицированного ВГПП, обладающего новыми свойствами, достигается задача изобретения и обеспечивается технический результат заявляемого способа. А именно, формирование манипулированных сигналов на основе ВГПП, обеспечивающих большую символьную скорость без расширения занимаемой полосы частот.
Таким образом, в заявляемом способе при его реализации обеспечивается формирование модифицированных ВГПП, позволяющих уменьшить по длительности их временные интервалы, при сохранении занимаемой ими полосы частот, и достигается задача изобретения, а также обеспечивается технический результат заявляемого способа. В результате у сформированных на основе модифицированных ВГПП путем последовательной конкатенации манипулированных сигналов, обеспечивается большая символьная скорость без расширения занимаемой полосы частот.
Способ формирования фазоманипулированных сигналов посредством последовательной конкатенации радиоимпульсов, заключающийся в том, что из цифровой последовательности информационных нулей и единиц формируют управляющую импульсную последовательность, причем длительности каждого из импульсов сформированной управляющей импульсной последовательности равны между собой, затем формируют манипулирующие радиоимпульсы, для манипуляции информационных нулей и единиц, а в качестве радиоимпульсов выбирают вейвлет Гаусса первого порядка, причем длительность вейвлета Гаусса первого порядка, определенного в качестве манипулирующих радиоимпульсов, выбирают равной длительностям импульсов сформированной управляющей импульсной последовательности, формируют результирующие фазоманипулированные сигналы посредством последовательной конкатенации манипулирующих радиоимпульсов с использованием ключевого устройства с двумя входами, для чего манипулирующие радиоимпульсы подают на ключевое устройство с двумя входами, входы которого переключают под воздействием сформированной управляющей импульсной последовательности, сформированные радиоимпульсы подают на входы ключевого устройства с двумя входами таким образом, чтобы их фазы в результирующих фазоманипулированных сигналах были противоположными друг другу, в случае изменения скорости манипуляции изменяют длительности каждого из импульсов сформированной управляющей импульсной последовательности и соответственно длительность вейвлета Гаусса первого порядка, определенного в качестве манипулирующих радиоимпульсов, а на выходе ключевого устройства с двумя входами получают результирующие фазоманипулированные сигналы, сформированные посредством последовательной конкатенации радиоимпульсов, отличающийся тем, что предварительно в сформированном в качестве радиоимпульса вейвлете Гаусса первого порядка обнуляют дискретные временные отсчеты так, чтобы в оставшейся части сохранилось 99,2% энергии, в результате получают усеченный вейвлет Гаусса первого порядка, затем путем применения процедуры преобразования Фурье из усеченного вейвлета Гаусса первого порядка формируют функцию распределения спектральных составляющих усеченного вейвлета Гаусса первого порядка, после чего в функции распределения спектральных составляющих усеченного вейвлета Гаусса первого порядка обнуляют спектральные компоненты, находящиеся за пределами главного лепестка спектра, в результате получают модифицированную функцию распределения спектральных составляющих усеченного вейвлета Гаусса первого порядка, затем путем применения процедуры обратного преобразования Фурье из модифицированной функции распределения спектральных составляющих усеченного вейвлета Гаусса первого порядка формируют модифицированный вейвлет Гаусса первого порядка, используемый в качестве радиоимпульса, который подают на входы ключевого устройства с двумя входами, после этого уменьшают длительности импульсов сформированной управляющей импульсной последовательности таким образом, чтобы они соответствовали длительности модифицированного вейвлета Гаусса первого порядка, используемого в качестве радиоимпульса, при этом на первый вход ключевого устройства с двумя входами подают радиоимпульс в виде прямой формы модифицированного вейвлета Гаусса первого порядка, а на второй - в виде обратной формы модифицированного вейвлета Гаусса первого порядка, в результате в сформированных фазоманипулированных сигналах радиоимпульсы на основе модифицированного вейвлета Гаусса первого порядка будут противоположными друг другу.
