Устройство высокоскоростной передачи данных с использованием цифровой модуляции и псевдослучайной перестройки рабочей частоты (варианты)
Владельцы патента RU 2758587:
Акционерное общество Научно-производственный центр "Электронные вычислительно-информационные системы" (АО НПЦ "ЭЛВИС") (RU)
Изобретение относится к области радиотехники. Техническим результатом изобретения является создание более эффективного и надежного устройства высокоскоростной передачи данных с использованием различных видов (FSK, PSK, QAM) цифровой модуляции и псевдослучайной перестройки рабочей частоты с простой функциональной схемой, простыми алгоритмами формирования сигнально-кодовых конструкций, возможностью работы без пауз времени, требуемых на перестройку частоты, повышенной скрытностью. В устройстве высокоскоростной передачи данных с использованием цифровой модуляции и псевдослучайной перестройки рабочей частоты в узле формирования модулирующих квадратурных сигналов I(t) и Q(t) содержится двухканальный цифровой вычислительный синтезатор (ЦВС), который вырабатывает сигналы со смещением частоты в обе стороны от нулевой частоты. В заявленном устройстве применяют мгновенную перестройку ППРЧ (псевдослучайную перестройку рабочей частоты) благодаря свойствам цифрового вычислительного синтезатора, а также используют заранее заданные профили цифрового вычислительного синтезатора для оперативной смены частоты при ППРЧ и когерентность несущей выходной частоты с тактовой частотой работы источника данных и ЦВС. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области радиотехники, а именно к устройствам высокоскоростной передачи данных с использованием цифровой FSK (frequency shift keying - частотной манипуляции), PSK (phase shift keying - фазовой манипуляции) модуляции и её разновидностей, QAM (quadrature amplitude modulation – квадратурной амплитудной модуляции) и её разновидностей, и псевдослучайной перестройки рабочей частоты (ППРЧ) и может быть использовано в системах цифровой связи с высокой символьной скоростью, повышенной скрытностью, помехозащищенностью и расширением спектра.
Известно устройство получения сигнала QPSK [An Introduction to Analog and Digital Communications by Haykin, Simon , Moher, Michael Wiley. Page 276/ ISBN-13 978-0-471-43222-7 ISBN-10 0-471-43222-9.] на основе широко применяемой схемы с квадратурным модулятором. На Фиг. 1 приведена структурная схема данного устройства, демонстрирующая получение сигнала QPSK с переносом на несущую частоту ωо, причем квадратурные компоненты модулирующего сигнала – синфазная и квадратурная 
сформированы на нулевой частоте кодером в комплексном виде как реальная и мнимая части комплексной огибающей QPSK сигнала 
.
Недостатками данного устройства является то, что для его использования в режиме ППРЧ (псевдослучайной перестройки рабочей частоты) генератор гетеродина должен обладать функцией синтезатора с перестройкой частоты, а скорость перестройки должна быть как можно выше для эффективной реализации режима ППРЧ, предусматривающей минимизацию временных потерь на такую перестройку. Как известно, перестраиваемые синтезаторы с кольцом ФАПЧ (фазовой автоподстройки частоты) обладают известной инерционностью перестройки и не позволяют осуществлять перестройку мгновенно, что влечет за собой потерю времени и, в итоге, снижение битовой скорости передачи канала связи и, следовательно, снижение скорости работы всего устройства.
Известен способ повышения битовой скорости передачи данных сигналами с псевдослучайной перестройкой частоты (патент Украины на полезную модель № 122771), сущность которого заключается в том, что применяют многочастотный сигнал с частотным мультиплексированием символов, а при псевдослучайной перестройке рабочей частоты скачком изменяют центральную частоту всего пакета поднесущих.
Недостатками данного способа является принцип передачи многочастотного сигнала в виде относительно длительных во времени символов OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing - ортогонального частотного разделения каналов с мультиплексированием), вследствие применения которого снижается скрытность передачи сигнала и упрощаются его обнаружение и декодирование. Кроме того, в способе прототипе также присутствует внутреннее противоречие между использованием расширения спектра посредством ППРЧ и сужением спектра за счет свойства OFDM эффективно использовать спектр с точки зрения повышения битовой скорости в ограниченной полосе частот. Способ не содержит признаков когерентности сигналов поднесущих и несущей частоты.
Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство, описанное в [Phase Coherent FSK Modulator, Circuit Note CN-0186, Analog Devices, URL: www.analog.com/CN0186.] сущность которого заключается в использовании двухканального цифрового вычислительного синтезатора с объединением выходов обоих каналов для выходного сигнала, причем импульсы тактового генератора являются когерентными для источника данных и для цифрового вычислительного синтезатора. Для модулирования выходных колебаний используется смена двух профилей цифрового вычислительного синтезатора. Данный способ выбран в качестве прототипа заявленного изобретения.
Недостатком описанного устройства является отсутствие возможности использования ППРЧ, низкая несущая частота выходного радиосигнала, не превосходящая половины частоты тактового генератора, ограниченная возможность использования различных видов цифровой модуляции (описана только частотная модуляция).
Общими недостатками приведенных выше аналогов и прототипа является то, что в них нельзя использовать различные виды цифровой модуляции изменением программного обеспечения или хода его выполнения, без существенного изменения схемы устройства.
Техническим результатом изобретения является создание более эффективного и надежного устройства высокоскоростной передачи данных с использованием различных видов (FSK, PSK, QAM) цифровой модуляции и псевдослучайной перестройки рабочей частоты с простой функциональной схемой, простыми алгоритмами формирования сигнально-кодовых конструкций, возможностью работы без пауз времени, требуемых на перестройку частоты, повышенной скрытностью за счет: применения в узле формирования модулирующих квадратурных сигналов I(t) и Q(t) двухканального цифрового вычислительного синтезатора (ЦВС), который вырабатывает сигналы со смещением частоты в обе стороны от нулевой частоты; мгновенной перестройки ППРЧ (псевдослучайной перестройки рабочей частоты) благодаря свойствам цифрового вычислительного синтезатора; использования заранее заданных профилей цифрового вычислительного синтезатора для оперативной смены частоты при ППРЧ и за счет когерентности несущей выходной частоты с тактовой частотой работы источника данных и ЦВС.
Для обоих вариантов выполнения устройства общий технический результат по повышенной скрытности и помехозащищенности обусловлен возможностью на три и более порядков повышать частоту смены ППРЧ (до 107…108 скачков в секунду) по сравнению с классификацией скорости ППРЧ, определяемой как «высокая» значением 1000 скачков в секунду, как описано на стр.27 [Макаренко С.И., Иванов М.С., Попов С.А. Помехозащищенность систем связи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. Монография. – СПб.: Свое издательство, 2013. – 166 с.: ил. ISBN 978-5-4386-0166-1] или 20000 скачков в секунду, достигнутую в современных средствах связи.
Поставленный технический результат достигнут путем создания устройства высокоскоростной передачи данных с использованием цифровой модуляции и псевдослучайной перестройки рабочей частоты, содержащего источник данных 1 первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входами цифрового вычислительного синтезатора 3, выход синтезатора частоты 2 соединен с входом источника данных 1 и с третьим входом цифрового вычислительного синтезатора 3, отличающегося тем, что выходы I и Q цифрового вычислительного синтезатора 3 через фильтр 4 соединены со вторым и третьим входом квадратурного модулятора 5, а выход синтезатора частоты 2 соединен с первым входом квадратурного модулятора 5, причем
- источник данных 1 выполнен с возможностью передачи с первого выхода кодов символов, а со второго выхода кодов частоты ППРЧ соответственно на первый и второй входы цифрового вычислительного синтезатора 3;
- синтезатор частоты 2 выполнен с возможностью генерации несущей частоты и передачи ее на вход источника данных 1, третий вход цифрового вычислительного синтезатора 3 и первый вход квадратурного модулятора 5;
- при поступлении очередного кода символа от источника данных 1 цифровой вычислительный синтезатор 3 выполнен с возможностью мгновенного использования соответствующего профиля для полученного кода символа, при этом формирует на своих выходах пары квадратурных сигналов I и Q, в амплитуде, начальной фазе и частоте которых содержится вся необходимая информация для выбранного способа модуляции;
- фильтр 4 выполнен с возможностью аналоговой фильтрации пары квадратурных сигналов I и Q от продуктов дискретизации цифроаналоговыми преобразователями цифрового вычислительного синтезатора 3, а также с возможностью передачи отфильтрованных сигналов на второй и третий входы квадратурного модулятора 5;
- квадратурный модулятор 5 выполнен с возможностью квадратурного переноса комплексной огибающей 
на несущую частоту, генерируемую синтезатором частоты 2.
Поставленный технический результат достигнут путем создания устройства высокоскоростной передачи данных с использованием цифровой модуляции и псевдослучайной перестройки рабочей частоты, содержащего источник данных 1 первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входами цифрового вычислительного синтезатора 3, отличающегося тем, что выходы I и Q цифрового вычислительного синтезатора 3 через фильтр 4 соединены со вторым и третьим входом квадратурного модулятора 5, выход синтезатора частоты 2 соединен с первым входом квадратурного модулятора 5 и с входом делителя частоты 6, выход которого соединен с входом тактирующих импульсов источника данных 1 и с входом тактирующих импульсов цифрового вычислительного синтезатора 3, причём:
- источник данных 1 выполнен с возможностью передачи с первого выхода кодов символов, а со второго выхода кодов частоты ППРЧ соответственно на первый и второй входы цифрового вычислительного синтезатора 3;
- синтезатор частоты 2 выполнен с возможностью генерации несущей частоты и передачи её на вход делителя частоты 6 и на первый вход квадратурного модулятора 5;
- при поступлении очередного кода символа от источника данных 1 цифровой вычислительный синтезатор 3 выполнен с возможностью мгновенного использования соответствующего профиля для полученного кода символа, при этом формирует на своих выходах пары квадратурных сигналов I и Q, в амплитуде, начальной фазе и частоте которых содержится вся необходимая информация для выбранного способа модуляции;
- фильтр 4 выполнен с возможностью аналоговой фильтрации пары квадратурных сигналов I и Q от продуктов дискретизации цифроаналоговыми преобразователями цифрового вычислительного синтезатора 3, а также с возможностью передачи отфильтрованных сигналов на второй и третий входы квадратурного модулятора 5;
- квадратурный модулятор 5 выполнен с возможностью квадратурного переноса комплексной огибающей на несущую частоту, генерируемую синтезатором частоты 2;
- делитель частоты 6 выполнен с возможностью формирования когерентных к несущей частоте частот тактирования источника данных 1 и цифрового вычислительного синтезатора 3, а также с возможностью передачи частот тактирования на входы тактирующих импульсов источника данных 1 и цифрового вычислительного синтезатора 3.
В предпочтительном варианте осуществления устройства значение частоты модуляции Fm в комплексной огибающей 
и её знак определяется кодом частоты с выхода источника данных 1 в зависимости от псевдослучайного значения алгоритма ППРЧ (псевдослучайной перестройки рабочей частоты).
В предпочтительном варианте осуществления устройства положение точки созвездия для произвольного символа на комплексной плоскости определяют начальная фаза и амплитуда квадратурных сигналов I и Q в выбранном профиле для кода символа.
Фиг. 1. Структурная схема QPSK модулятора, выполненная согласно аналогу.
Фиг. 2. Общая функциональная схема устройства высокоскоростной передачи данных с использованием цифровой модуляции, выполненная согласно первому варианту изобретения без использования делителя частоты.
Фиг. 3. Общая функциональная схема устройства высокоскоростной передачи данных с использованием цифровой модуляции, выполненная согласно второму варианту изобретения с использованием делителя частоты.
Элементы:
1 - источник данных;
2 - синтезатор частоты;
3 - цифровой вычислительный синтезатор;
4 - фильтр;
5 - квадратурный модулятор;
6 – делитель частоты.
Рассмотрим принцип функционирования заявленного изобретения.
В первом варианте (Фиг. 2) выполнения заявленного устройства высокоскоростной передачи данных с использованием цифровой модуляции и ППРЧ принимают от источника данных 1 код созвездия и псевдослучайный код частоты, которые одновременно подают на входы выбора профиля цифрового вычислительного синтезатора 3 (ЦВС), формируют ЦВС сигналы I(t) и Q(t), осуществляют аналоговую фильтрацию сигналов I и Q от продуктов дискретизации цифроаналоговыми преобразователями ЦВС, и подают отфильтрованные сигналы I’ и Q’ на входы квадратурного модулятора 5, посредством которого осуществляют квадратурный перенос комплексной огибающей на несущую частоту Fо.
Во втором варианте (Фиг. 3) выполнения заявленного устройства высокоскоростной передачи данных с использованием цифровой модуляции и ППРЧ принимают от источника данных 1 код символа и псевдослучайный код частоты, которые одновременно подают на входы выбора профиля цифрового вычислительного синтезатора 3 (ЦВС), формируют ЦВС сигналы I(t) и Q(t), в блоке 4 осуществляют аналоговую фильтрацию сигналов I и Q от продуктов дискретизации цифроаналоговыми преобразователями ЦВС, и подают отфильтрованные сигналы I’ и Q’ на входы квадратурного модулятора 5, посредством которого осуществляют квадратурный перенос комплексной огибающей на несущую частоту Fо. Частота Fо поступает на вход квадратурного модулятора 5 и на вход делителя частоты 6, с выхода которого когерентные к частоте Fо частоты тактирования источника данных 1 и ЦВС 3 поступают на их входы тактирующих импульсов. Когерентность частот тактирования источника данных 1, ЦВС 3 и несущей частоты Fо, подаваемой на вход квадратурного модулятора 5, необходима для корректной демодуляции сигналов на стороне приема, а именно фазовой информации в передаваемом сигнале после синхронизации приемника по несущей частоте и символьной частоте.
Рассмотрим более подробно второй вариант выполнения заявленного устройства высокоскоростной передачи данных с использованием цифровой модуляции, в котором присутствует делитель частоты 6 (Фиг. 3). Источник данных 1 с первого и второго выходов передаёт коды символов и коды частоты ППРЧ на первый и второй входы в цифровой вычислительный синтезатор 3. Синтезатор частоты 2 генерирует несущую частоту и своим выходом соединен с входом делителя частоты 6 и первым входом квадратурного модулятора 5, выходы I и Q вычислительного синтезатора 3 через фильтр 4 соединены со вторым и третьим входом квадратурного модулятора 5. Выход делителя частоты 6 соединен с входом тактирующих импульсов источника данных 1 и с третьим входом для тактирующих импульсов вычислительного синтезатора 3. При поступлении очередного кода символа от источника данных 1 цифровой вычислительный синтезатор 3 мгновенно использует соответствующий профиль для полученного кода символа и на своих выходах формирует пару квадратурных сигналов I и Q, в амплитуде, начальной фазе и частоте которых содержится вся необходимая информация для выбранного способа модуляции. Значение частоты модуляции Fm определяется кодом частоты с выхода источника данных 1 в зависимости от псевдослучайного значения алгоритма ППРЧ. Код частоты определяет в профиле значение приращения фазы модулирующих сигналов на каждом такте работы цифрового вычислительного синтезатора 3. Фазовый сдвиг между квадратурными сигналами I и Q равен 90 градусов. Положение точки созвездия для произвольного символа на комплексной плоскости определяется начальной фазой квадратурных сигналов I и Q в выбранном профиле для кода символа и амплитудой этих сигналов в этом же профиле. Делитель частоты 6 предназначен для варианта реализации изобретения, когда частота синтезатора 2 слишком высока для целей тактирования источника данных 1 или работы вычислительного синтезатора 3.
Осуществимость заявляемого изобретения основывается на том, что каждый из профилей цифрового вычислительного синтезатора должен иметь возможность одномоментно содержать информацию о:
- независимой установке приращения фазы;
- начальной фазе для сигналов I и Q;
- уровне амплитуд для сигналов I и Q.
Из известных цифровых вычислительных синтезаторов к таким относится микросхема 1508ПЛ8Т НПЦ «Элвис», имеющая в своем составе 64 профиля, что позволяет осуществлять псевдослучайную перестройку частоты c разными видами цифровой модуляции. Например, микросхема 1508ПЛ8Т обеспечивает ППРЧ для 32 частот при модуляции BPSK, 16 частот при модуляции QPSK, 4 частоты при модуляции QAM16.
Хотя описанный выше вариант выполнения изобретения был изложен с целью иллюстрации заявленного изобретения, специалистам ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла заявленного изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.
1. Устройство высокоскоростной передачи данных с использованием цифровой модуляции и псевдослучайной перестройки рабочей частоты, содержащее источник данных 1, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входами цифрового вычислительного синтезатора 3, выход синтезатора частоты 2 соединен с входом источника данных 1 и с третьим входом цифрового вычислительного синтезатора 3, отличающееся тем, что выходы I и Q цифрового вычислительного синтезатора 3 через фильтр 4 соединены со вторым и третьим входами квадратурного модулятора 5, а выход синтезатора частоты 2 соединен с первым входом квадратурного модулятора 5, причем
- источник данных 1 выполнен с возможностью передачи с первого выхода кодов символов, а со второго выхода кодов частоты ППРЧ соответственно на первый и второй входы цифрового вычислительного синтезатора 3;
- синтезатор частоты 2 выполнен с возможностью генерации несущей частоты и передачи ее на вход источника данных 1, третий вход цифрового вычислительного синтезатора 3 и первый вход квадратурного модулятора 5;
- при поступлении очередного кода символа от источника данных 1 цифровой вычислительный синтезатор 3 выполнен с возможностью мгновенного использования соответствующего профиля для полученного кода символа, при этом формирует на своих выходах пары квадратурных сигналов I и Q, в амплитуде, начальной фазе и частоте которых содержится вся необходимая информация для выбранного способа модуляции;
- фильтр 4 выполнен с возможностью аналоговой фильтрации пары квадратурных сигналов I и Q от продуктов дискретизации цифроаналоговыми преобразователями цифрового вычислительного синтезатора 3, а также с возможностью передачи отфильтрованных сигналов на второй и третий входы квадратурного модулятора 5;
- квадратурный модулятор 5 выполнен с возможностью квадратурного переноса комплексной огибающей 
на несущую частоту, генерируемую синтезатором частоты 2.
2. Устройство высокоскоростной передачи данных с использованием цифровой модуляции и псевдослучайной перестройки рабочей частоты, содержащее источник данных 1, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входами цифрового вычислительного синтезатора 3, отличающееся тем, что выходы I и Q цифрового вычислительного синтезатора 3 через фильтр 4 соединены со вторым и третьим входами квадратурного модулятора 5, выход синтезатора частоты 2 соединен с первым входом квадратурного модулятора 5 и с входом делителя частоты 6, выход которого соединен с входом тактирующих импульсов источника данных 1 и с входом тактирующих импульсов цифрового вычислительного синтезатора 3, причём:
- источник данных 1 выполнен с возможностью передачи с первого выхода кодов символов, а со второго выхода кодов частоты ППРЧ соответственно на первый и второй входы цифрового вычислительного синтезатора 3;
- синтезатор частоты 2 выполнен с возможностью генерации несущей частоты и передачи её на вход делителя частоты 6 и на первый вход квадратурного модулятора 5;
- при поступлении очередного кода символа от источника данных 1 цифровой вычислительный синтезатор 3 выполнен с возможностью мгновенного использования соответствующего профиля для полученного кода символа, при этом формирует на своих выходах пары квадратурных сигналов I и Q, в амплитуде, начальной фазе и частоте которых содержится вся необходимая информация для выбранного способа модуляции;
- фильтр 4 выполнен с возможностью аналоговой фильтрации пары квадратурных сигналов I и Q от продуктов дискретизации цифроаналоговыми преобразователями цифрового вычислительного синтезатора 3, а также с возможностью передачи отфильтрованных сигналов на второй и третий входы квадратурного модулятора 5;
- квадратурный модулятор 5 выполнен с возможностью квадратурного переноса комплексной огибающей на несущую частоту, генерируемую синтезатором частоты 2;
- делитель частоты 6 выполнен с возможностью формирования когерентных к несущей частоте частот тактирования источника данных 1 и цифрового вычислительного синтезатора 3, а также с возможностью передачи частот тактирования на входы тактирующих импульсов источника данных 1 и цифрового вычислительного синтезатора 3.
3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что значение частоты модуляции Fm в комплексной огибающей и её знак определяется кодом частоты с выхода источника данных 1 в зависимости от псевдослучайного значения алгоритма ППРЧ (псевдослучайной перестройки рабочей частоты).
4. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что положение точки созвездия для произвольного символа на комплексной плоскости определяют начальная фаза и амплитуда квадратурных сигналов I и Q в выбранном профиле для кода символа.
