Способ помехозащищенной передачи и приема дискретных сигналов на основе однополосной модуляции
Владельцы патента RU 2763520:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» (RU)
Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для применения в помехозащищенных системах радиосвязи. Техническим результатом изобретения является повышение помехозащищенности передачи дискретных сигналов перестановочной модуляции за счет улучшения свойств их структурной скрытности. Технический результат достигается за счет того, что поднесущие дискретного сигнала перестановочной модуляции формируют в спектре помехоустойчивого аналогового сигнала однополосной модуляции. Передачу информационных бит осуществляют по верхней боковой полосе частот, на которую накладывается маскирующий сигнал однополосной модуляции по нижней боковой полосе частот, сформированный на основе ортогональных фазоманипулированных случайной последовательностью частотных поднесущих. 5 ил.
Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для применения в помехозащищенных системах радиосвязи.
Известен «Способ формирования шумоподобных радиосигналов для передачи бинарных символов информации сложными сигналами» (Патент РФ № 2231924, МПК Н04В 1/69, опубл. 27.06.2004 Бюл.№ 18).
В известном способе осуществляют минимальную кодочастотную модуляцию несущей частоты путем суммирования модулированных по амплитуде и фазе колебаний квадратурных каналов, модулирующие кодовые последовательности которых получают перекодировкой кодовой последовательности шумоподобного радиоимпульса, после чего осуществляют стробирование полученной суммы видеоимпульсом, равным длительности кодовой последовательности, и формируют противоположный сигнал на основе инверсии кода модулирующей последовательности одного из квадратурных каналов.
Недостатком известного способа является низкая помехозащищенность передачи информации вследствие недостаточных свойств структурной скрытности формируемого радиосигнала.
Известен «Способ формирования и обработки сложного сигнала в помехозащищенных радиосистемах» (Патент РФ № 2205496, МПК Н03С 3/40, опубл. 27.05.2003 Бюл. № 15).
В способе-аналоге в качестве несущего колебания используют модифицированный полосовой шум, временные участки которого с амплитудой выше пороговой имеют равномерное распределение фазы в пределах ±π/2 относительно фазы опорного частотно-модулированного колебания, а участки с амплитудой ниже пороговой имеют распределение фазы, равномерное в пределах ±π причем обработку сложного сигнала производят схемой Костаса с отслеживанием введенной частотной модуляции несущей.
Недостатком известного способа является низкая помехозащищенность передачи информации вследствие недостаточной структурной скрытности формируемого радиосигнала.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявляемому изобретению является «Способ передачи информации по коротковолновому каналу связи с использованием частотно-манипулированных сигналов» (Патент РФ № 2705357, МПК Н04L опубл. 07.11.19 Бюл. №31).
В способе-прототипе методами частотной манипуляции формируют радиосигнал перестановочной модуляции на основе кодирования информационного слова последовательностью с постоянным весом. Количество поднесущих формируемого радиосигнала выбирают в соответствии с разрядностью кода. Информационный поток двоичных бит разбивают на информационные блоки в соответствии с числом доступных комбинаций и формируют сигналы в виде амплитудно-манипулированных колебаний на длительности каждого передаваемого символа только на тех поднесущих, которым соответствуют информационные единицы. Формирование радиосигнала осуществляют на основе аддитивного объединения сформированных сигналов. Принимают результирующий частотно-манипулированный сигнал на поднесущих частотах как независимые частотно-разнесенные амплитудно-манипулированные колебания.
Недостатком известного способа-прототипа является низкая помехозащищенность передачи информации вследствие недостаточных свойств структурной скрытности формируемого радиосигнала.
Задачей изобретения является создание способа позволяющего улучшить свойства структурной скрытности формируемого радиосигнала за счет многопараметрической однополосной модуляции со случайными параметрами.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение помехозащищенности передачи дискретных сигналов перестановочной модуляции за счет улучшения свойств их структурной скрытности.
Заявляемый технический результат достигается тем, что в способе помехозащищенной передачи и приема дискретных сигналов на основе однополосной модуляции выбирают код с постоянным весом для кодирования поднесущих формируемого сигнала таким образом, чтобы разрядность кода соответствовала числу доступных для передачи поднесущих, разбивают битовый поток на информационные блоки в соответствии с числом доступных комбинаций кода, определяющих его алфавит, ставят в соответствие каждому информационному блоку свою уникальную комбинацию элементов кода, формируют сигналы в виде амплитудно-манипулированных колебаний на длительности каждого передаваемого символа только на тех поднесущих, которым соответствуют информационные единицы, после чего осуществляют аддитивное сложение сформированных сигналов на всех поднесущих, принимают результирующий частотно-манипулированный сигнал на поднесущих частотах как независимые частотно-разнесенные амплитудно-манипулированные колебания, причем на передающей и приемной сторонах формируют случайную двоичную последовательность, длительность бита которой отличается от длительности информационного бита, на промежуточной частоте формируют ортогональные частотные поднесущие, фазу каждой из которых манипулируют одним из битов блока случайной последовательности, причем количество битов в блоке случайной последовательности задают равным числу частотных поднесущих, а число частотных поднесущих определяют таким образом, чтобы ширина полосы частот сформированного фазо-манипулированного сигнала не превышала полосу частот канала тональной частоты, на основе фазо-манипулированного сигнала на частоте номиналом больше, чем рабочая частота на 3,7 кГц получают сигнал однополосной модуляции по нижней боковой полосе частот, на передающей стороне результирующий частотно-манипулированный сигнал на поднесущих частотах формируют на промежуточной частоте в полосе частот канала тональной частоты, на рабочей частоте на основе сформированного сигнала на промежуточной частоте получают сигнал однополосной модуляции по верхней боковой полосе частот, сигнал однополосной модуляции по верхней боковой полосе частот складывают с сигналом однополосной модуляции по нижней боковой полосе частот, радиосигнал излучают в сторону корреспондента, на приемной стороне принимают радиосигнал, после чего из принятого радиосигнала вычитают сигнал однополосной модуляции по нижней боковой полосе частот, демодулируют сигнал однополосной модуляции по верхней боковой полосе частот на промежуточную частоту, демодулируют частотно-манипулированный сигнал.
Технический результат достигается за счет новых существенных признаков заключающихся в том, что в заявляемом способе поднесущие дискретного сигнала перестановочной модуляции формируются в спектре помехоустойчивого аналогового сигнала однополосной модуляции. Причем передача информационных бит осуществляется по верхней боковой полосе частот, на которую накладывается маскирующий сигнал однополосной модуляции по нижней боковой полосе частот, сформированный на основе ортогональных фазоманипулированных случайной последовательностью частотных поднесущих. Демодуляция суммарного сигнала без знания параметров его формирования согласно [Д.Д. Кловский. Теория передачи сигналов. Учебник – М. 1973 г.] определяет существенное ухудшение помехоустойчивости его приема.
Кроме того, спектр формируемого сигнала по количеству отличительных признаков в большей степени характеризуется видом ортогональных сигналов на основе однополосной модуляции, а не сигналов перестановочной модуляции, причем скорости передачи информационной и случайной последовательностей отличаются. Поэтому правильная идентификация структуры такого сигнала без знания параметров модуляции существенно затрудняется, что и обуславливает повышение свойств структурной скрытности формируемого заявляемым способом радиосигнала. Согласно [Борисов В.И. Помехозащищенность систем радиосвязи. Основы теории и принципы реализации. Монография. М. Наука. 2009. – 358 с.] возрастают показатели помехозащищенности передачи дискретных сигналов.
Заявленный способ поясняется чертежами, где на Фиг.1 показаны:
а) сигнал перестановочной модуляции на промежуточной частоте;
б) однополосная модуляция по верхней боковой полосе частот;
в) случайная двоичная последовательность;
г) однополосная модуляция по нижней боковой полосе частот;
д) радиосигнал.
Реализация заявляемого способа осуществляется следующим образом:
1. Выбирают код с постоянным весом для кодирования поднесущих формируемого сигнала таким образом, чтобы разрядность кода соответствовала числу доступных для передачи поднесущих.
2. Разбивают битовый поток на информационные блоки в соответствии с числом доступных комбинаций кода, определяющих его алфавит, ставят в соответствие каждому информационному блоку свою уникальную комбинацию элементов кода.
3. Формируют сигналы в виде амплитудно-манипулированных колебаний на длительности каждого передаваемого символа только на тех поднесущих, которым соответствуют информационные единицы, после чего осуществляют аддитивное сложение сформированных сигналов на всех поднесущих (фиг. 1, а. F1(f)… F6(f)).
4. Принимают результирующий частотно-манипулированный сигнал на поднесущих частотах как независимые частотно-разнесенные амплитудно-манипулированные колебания.
Процедуры по п.1 – п.4 идентичны аналогичным процедурам способа-прототипа.
5. Формируют случайную двоичную последовательность Uсп(t), длительность бита которой отличается от длительности информационного бита (фиг. 1, в). Процедура формирования случайных двоичных последовательностей с заданными параметрами длительности является известной и приведена, в частности, в [Патенте РФ № 2281603 от 27.12.04 «Генератор случайной двоичной последовательности», автора Нуждина А.Е.].
Степень отличия скоростей передачи информационной и случайной битовых последовательностей с позиций улучшения свойств структурной скрытности целесообразно выбрать исходя из критерия равномерности спектральных составляющих формируемого на основе случайной последовательности сигнала. Исходя из [Д.Д. Кловский. Теория передачи сигналов. Учебник – М. 1973 г.] данные значения могут быть выбраны в диапазоне 1,3-1,7 раза.
6. На промежуточной частоте формируют ортогональные частотные поднесущие, фазу каждой из которых манипулируют одним из битов блока случайной последовательности, причем количество битов в блоке случайной последовательности задают равным числу частотных поднесущих, а число частотных поднесущих определяют таким образом, чтобы ширина полосы частот сформированного фазо-манипулированного сигнала не превышала полосу частот канала тональной частоты.
Данные процедуры определяют формирование частотно-ортогонального сигнала с фазовой манипуляцией поднесущих, являются известными и представлены, например, в [Патенте РФ № 2423002 от 16.04.10 «Устройство приема и передачи OFDM-сигналов с повышенной помехоустойчивостью», авторов Андрианова М.Н., Бумагина А.В. и др.].
Отличительной особенностью данных процедур является формирование частотно-ортогонального сигнала на промежуточной частоте в полосе частот канала тональной частоты.
Процедура выбора номинального значения промежуточной частоты является известной и приведена, в частности, в [C.В. Дворников и др. Радиоприемные устройства. Учебник– СПБ. ВАС, 2016 г.].
Процедура формирования блока из случайной двоичной последовательности аналогична процедуре формирования вектора двоичных чисел, является известной и описана, например, в [Патенте РФ № 2710027 от 24.12.2019 «Способ активного контроля рабочих частот», авторов Дворникова С.В., Пшеничникова А.В. и др.].
Для формирования сигнала в полосе частот канала тональной частоты определяют допустимое число ортогональных поднесущих. Для этого ширину полосы частот канала тональной частоты делят на ширину полосы основного лепестка спектра фазоманипулированного сигнала см. [Д.Д. Кловский. Теория передачи сигналов. Учебник – М. 1973 г.] и выделяют целую часть числа.
Фазовая манипуляция поднесущей также является известной и приведена, например, в [Д.Д. Кловский. Теория передачи сигналов. Учебник – М. 1973 г.].
7. На основе фазо-манипулированного сигнала на частоте номиналом больше чем рабочая частота fр на 3,7 кГц получают сигнал однополосной модуляции Uом НБП(f) по нижней боковой полосе частот (фиг. 1, г).
Формирование сигнала однополосной модуляции является известной процедурой и приведено, например, в [Патенте РФ № 2363091 от 29.02.2008 г. «Формирователь однополосного сигнала фазовым способом», авторы Волков А.А., Волкова И.А.]. Отличительной особенностью данной процедуры является выбор частоты формирования сигнала на 3,7 кГц выше рабочей частоты.
8. Результирующий частотно-манипулированный сигнал на поднесущих частотах формируют на промежуточной частоте в полосе частот канала тональной частоты (фиг. 1, а. F1(f)… F6(f)). .
Для выполнения данной процедуры, необходимо, чтобы процедуры по п.1-3 осуществлялись с учетом максимального числа поднесущих, для определения которого ширину полосы частот канала тональной частоты делят на ширину полосы частот основного лепестка амплитудно-манипулированного колебания [см. Д.Д. Кловский. Теория передачи сигналов. Учебник – М. 1973 г.] и выделяют целую часть полученного числа. Число поднесущих сформированного сигнала перестановочной модуляции не должно превышать рассчитанное значение.
Выбор номинального значения промежуточной частоты осуществляется аналогично п.6.
9. На рабочей частоте fр на основе сформированного сигнала получают сигнал однополосной модуляции по верхней боковой полосе частот
Uом ВБП(f) (фиг. 1, б).
Данная процедура аналогична п.7, за исключением формирования сигнала по верхней боковой полосе частот.
10. Сигнал однополосной модуляции по верхней боковой полосе частот Uом ВБП(f) складывают с сигналом однополосной модуляции по нижней боковой полосе частот Uом НБП(f), радиосигнал Uр/с(f) излучают в сторону корреспондента (фиг. 1, д).
Суммирование сигналов может быть осуществлено на резистивных делителях, или аналогично известному устройству, см. [Патент РФ № 2118015 от 20.08.1998 г. «Устройство сложения сигналов», Чернышева А.А.].
Усиление и излучение радиосигнала осуществляется аналогично способу-прототипу.
11. Принимают радиосигнал Uр/с(f), после чего из принятого радиосигнала Uр/с(f) вычитают сигнал однополосной модуляции по нижней боковой полосе частот Uом НБП(f).
Процедуры приема радиосигнала основываются на его высокочастотной обработке: частотной селекции и усилении, являются известными и приведены, например, в [C.В. Дворников и др. Радиоприемные устройства. Учебник– СПБ. ВАС, 2016 г.].
Процедура вычитания сигнала идентична компенсации аддитивных помех, описанной, в частности, в [Патенте РФ № 98820 от 27.10.2010 г. «Радиометрическая система с компенсацией внешних помех и нестабильности коэффициента передачи системы», авторов Федосеева Е.В., Ростоткина И.Н., Ечина П.А.].
12. Демодулируют сигнал однополосной модуляции по верхней боковой полосе частот Uом ВБП(f) на промежуточную частоту fпч.
Данная процедура является известной и приведена, например в [C.В. Дворников и др. Радиоприемные устройства. Учебник– СПБ. ВАС, 2016 г.].
Выбор номинального значения промежуточной частоты осуществляется аналогично п. 6.
13. Демодулируют частотно-манипулированный сигнал (F1(f)… F6(f)).
Данная процедура аналогична приему сигнала в способе-прототипе, п. 4, за исключением того, что демодуляция осуществляется с промежуточной частоты.
Функциональное описание способа представим в следующем виде. Одновременно на передающей и приемных сторонах формируют случайную двоичную последовательность, длительность бита которой отличается от длительности информационного бита. На промежуточной частоте формируют ортогональные частотные поднесущие, фазу каждой из которых манипулируют одним из битов блока случайной последовательности.
Причем количество битов в блоке случайной последовательности задают равным числу частотных поднесущих, а число частотных поднесущих определяют таким образом, чтобы ширина полосы частот сформированного фазо-манипулированного сигнала не превышала полосу частот канала тональной частоты. На основе фазо-манипулированного сигнала на частоте номиналом больше чем рабочая частота на 3,7 кГц получают сигнал однополосной модуляции по нижней боковой полосе частот.
На передающей стороне выбирают код с постоянным весом для кодирования поднесущих формируемого сигнала на промежуточной частоте таким образом, чтобы разрядность кода соответствовала числу доступных для передачи поднесущих. Количество поднесущих выбирают исходя из условия, чтобы ширина полосы частот сформированного сигнала не превышала полосу частот канала тональной частоты. Разбивают битовый поток на информационные блоки в соответствии с числом доступных комбинаций кода, определяющих его алфавит. Ставят в соответствие каждому информационному блоку свою уникальную комбинацию элементов кода.
На промежуточной частоте формируют сигналы в виде амплитудно-манипулированных колебаний на длительности каждого передаваемого символа только на тех поднесущих, которым соответствуют информационные единицы. Осуществляют аддитивное сложение сформированных сигналов на всех поднесущих, который образует результирующий частотно-манипулированный сигнал. На рабочей частоте на основе сформированного частотно-манипулированного сигнала поучают сигнал однополосной модуляции по верхней боковой полосе частот. Сигнал однополосной модуляции по верхней боковой полосе частот складывают с сигналом однополосной модуляции по нижней боковой полосе частот. Полученный радиосигнал излучают в сторону корреспондента.
На приемной стороне принимают радиосигнал, после чего из принятого радиосигнала вычитают сигнал однополосной модуляции по нижней боковой полосе частот. Демодулируют сигнал однополосной модуляции по верхней боковой полосе частот на промежуточную частоту. Демодулируют частотно-манипулированный сигнал как независимые частотно-разнесенные амплитудно-манипулированные колебания на поднесущих частотах.
Результаты проведенного имитационного моделирования передачи сообщений в среде МаtLAB на основе разработанного способа показали высокую вероятность ошибки демодуляции при неправильной идентификации структуры сигнала. Таким образом, в заявляемом способе при его реализации обеспечивается помехозащищенная передача дискретной информации методами однополосной модуляции, что указывает на достижение технического результата изобретения.
Способ помехозащищенной передачи и приема дискретных сигналов на основе однополосной модуляции, заключающийся в том, что выбирают код с постоянным весом для кодирования поднесущих формируемого сигнала таким образом, чтобы разрядность кода соответствовала числу доступных для передачи поднесущих, разбивают битовый поток на информационные блоки в соответствии с числом доступных комбинаций кода, определяющих его алфавит, ставят в соответствие каждому информационному блоку свою уникальную комбинацию элементов кода, формируют сигналы в виде амплитудно-манипулированных колебаний на длительности каждого передаваемого символа только на тех поднесущих, которым соответствуют информационные единицы, после чего осуществляют аддитивное сложение сформированных сигналов на всех поднесущих, принимают результирующий частотно-манипулированный сигнал на поднесущих частотах как независимые частотно-разнесенные амплитудно-манипулированные колебания, отличающийся тем, что на передающей и приемной сторонах: формируют случайную двоичную последовательность, длительность бита которой отличается от длительности информационного бита, на промежуточной частоте формируют ортогональные частотные поднесущие, фазу каждой из которых манипулируют одним из битов блока случайной последовательности, причем количество битов в блоке случайной последовательности задают равным числу частотных поднесущих, а число частотных поднесущих определяют таким образом, чтобы ширина полосы частот сформированного фазоманипулированного сигнала не превышала полосу частот канала тональной частоты, на основе фазоманипулированного сигнала на частоте номиналом, больше чем рабочая частота на 3,7 кГц, получают сигнал однополосной модуляции по нижней боковой полосе частот, на передающей стороне результирующий частотно-манипулированный сигнал на поднесущих частотах формируют на промежуточной частоте в полосе частот канала тональной частоты, на рабочей частоте на основе сформированного сигнала на промежуточной частоте получают сигнал однополосной модуляции по верхней боковой полосе частот, сигнал однополосной модуляции по верхней боковой полосе частот складывают с сигналом однополосной модуляции по нижней боковой полосе частот, радиосигнал излучают в сторону корреспондента, на приемной стороне принимают радиосигнал, после чего из принятого радиосигнала вычитают сигнал однополосной модуляции по нижней боковой полосе частот, демодулируют сигнал однополосной модуляции по верхней боковой полосе частот на промежуточную частоту, демодулируют частотно-манипулированный сигнал.
