Адаптивная широкополосная система связи
Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для повышения помехозащищенности передачи информации в условиях случайных и преднамеренных помех. Техническим результатом является повышение помехозащищенности при увеличении скорости передачи информации. Для достижения технического результата одновременно с широкополосным сигналом излучают узкополосный сигнал, помехозащищенность которого к преднамеренным помехам достигается за счет квазихаотической смены несущей частоты. Широкополосный тракт используется для скрытного вхождения в синхронизм передачи низкоскоростных сигналов управления и формирования частотно-временного кода, адаптирующегося к помеховой обстановке с исключением пораженных частот, а узкополосный тракт, перестраиваемый в соответствии с адаптивным частотно-временным кодом, используется для передачи высокоскоростной информации. Оба, и широкополосный, и узкополосный сигналы передаются одновременно. 2 ил. 
Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для повышения помехозащищенности передачи информации в условиях случайных и преднамеренных помех.
Известны системы радиосвязи, использующие шумоподобные сигналы, например, система ТДМА с многостанционным доступом, описанная в сборнике "Радиоэлектронная техника Вооруженных сил капиталистических государств" №23, ТРУ, ГЦВС СССР, 1974 г.
Указанные системы связи, использующие шумоподобные фазоманипулированные сигналы на базе М-последовательностей, обеспечивают скрытую радиосвязь и ослабление импульсных и сосредоточенных помех в Б раз, где Б - база сигнала.
В системе ТДМА используется фазоманипулированный сигнал с базой 31 при скорости передачи информации 100 кбит/с. Свертка шумоподобного сигнала, осуществляется согласованным фильтром, выполненным на ультразвуковой линии задержки.
В системе обеспечивается многостанционный доступ при временном разделении сигналов.
Однако перечисленные системы связи имеют недостаток, заключающийся в снижении их помехозащищенности по отношению к случайным преднамеренным помехам при увеличении скорости информации.
Как известно (например, монография Л.Е.Варакина "Теория систем сигналов". Москва: "Советское радио". 1978 г., стр.114-124), степень помехозащищенности радиосвязи к случайным и преднамеренным помехам растет с увеличением базы сигнала, определяемой соотношением
где Т - длительность информационной посылки,
F - информационная полоса частот, занимаемая сигналом,
о - детальность элементарной посылки,
v - скорость передачи информации.
Как видно из формулы [1], при увеличении скорости передачи информации для сохранения величины фазы сигнала постоянной необходимо уменьшать о. Однако на практике величина минимального значения о (или максимального значения тактовой частоты) всегда ограничена и значительное уменьшение о (или максимального значения тактовой частоты) невозможно по ряду причин.
Во-первых, существуют аппаратурные ограничения на минимально-достижимое значение о (статья Е.С.Бугаец "К формированию М-последовательностей с высокой тактовой частотой". Журнал "Техника средств связи", серия "Радиоизмерительная техника", выпуск 3 (9), Москва, 1977 г., стр.13-19), обусловленные ограниченными возможностями существующей элементной базы.
Во-вторых, величина о ограничена выделенной для связи полосой частот, определяемой как F
1/o.
В-третьих, с уменьшением о значительно возрастают потери сигнала при накоплении за счет влияния дестабилизирующих факторов (нестабильности генератора тактовой и несущих частот и других) на параметры сигнала.
При заданном минимальном значении о (максимальном значении тактовой частоты) величина базы сигнала будет уменьшаться с увеличением скорости передачи информации, при этом будет уменьшаться помехозащищенность системы связи.
Иллюстрацией к сказанному могут служить параметры упомянутых систем связи.
Так, если в известных системах при v<50 Бод, Б>103, отношение сигнал/шум Рс/Рш < -25 дБ, то в системе ТДМА при v=1000 кбод, Б=31, Рс/Рш=5 дБ.
Известны также асинхронные системы связи с частотно-временным кодированием, строящиеся на кодах с постоянным весом (постоянным числом импульсов в коде) с относительно короткими импульсами (монография А.Р.Лифшица, А.П.Биленко Многоканальные асинхронные системы передачи информации Москва: Связь, 1974 г. стр.5-13). Примером такой системы может служить система Racep, описанная в монографии А.М.Семенова, Сикарева А.А. Широкополосная радиосвязь, Москва: Воениздат, 1970 г. стр.240.
Данная система с кодированием по принципу частотно-временной матрицы обеспечивает возможность свободного доступа абонентов, работающих в условиях большого разброса мощностей принимаемых сигналов.
Однако подобные системы не нашли практического применения из-за ограничений, накладываемых на пиковую мощность передающих устройств.
Известны также сигналы с прыгающей частотой, в которых информация передается на несущей частоте, изменяющейся по квазислучайному частотно-временному коду синхронно на обоих концах радиолинии.
Недостатком таких систем является их низкая помехозащищенность по отношению к случайным сосредоточенным помехам. Так как программа перестройки в них выбирается без учета помеховой обстановки, то в загруженных диапазонах частот достоверность передачи информации снижается за счет поражения частот программы случайными помехами, т.е. система связи с прыгающей частотой не адаптируется к случайным помехам.
Другим недостатком систем связи с прыгающей частотой является их низкая помехозащищенность к преднамеренным помехам в режиме поиска, обусловленная тем, что при вхождении в синхронизм изменение частот производится по коду, заданному на ограниченном временном интервале (цикле перестройки).
Цикл программы не может выбираться большим из-за увеличения времени вхождения в синхронизм, при этом во время поиска и синхронизации цикл программы должен многократно повторяться. Многократное повторение программы создает условия для обнаружения его противником (система связи с прыгающей частотой работает при отношении Рс/Рш > 1) и создание помех, нарушающих условия синхронизации.
В качестве прототипа выбрана аппаратура по авторскому свидетельству №300946 МПК Н 03 С 3/40 от 7.4.71 г., авторы Перьков В.В., Яковлев Л.А. "Аппаратура для передачи дискретной информации".
Блок-схема прототипа приведена на фиг.1, где использованы следующие обозначения:
1 - генератор несущей и тактовой частот (ГНТЧ),
2 - формирователь ортогональной псевдослучайной последовательности (ФОПСП),
3 - генератор псевдослучайной последовательности (ГПСП),
4 - устройство фазирования,
5, 6 - умножители (УМ),
7 - фазовращатель на 90° (ФВ90°),
8 - фазовый манипулятор (ФМ),
9 - схема сложения,
10, 11 - умножители,
12 - формирователь ортогональной псевдослучайной последовательности (ФОПСП),
13 - генератор опорной псевдослучайной последовательности (ГОПСП),
14 - устройство фазирования (УФ),
15 - устройство синхронизации (УС),
16, 17 - полосовые фильтры (ПФ),
18 - фазовый детектор (ФД).
Передатчик состоит из ГНТЧ (1), соединенный первым выходом со входами ФОПСП2 и ГПСП3, выходы которых через умножители 5 и 6 соединены со схемой сложения 9, а второй выход ГНТЧ1 соединен со входами ФВ90° и ФМ8, выходы которых соединены со вторыми входами умножителей 5 и 6 соответственно, при этом вторые входы ФОПСП 2 и ГПСП3 соединены с выходами УФ4.
Приемник прототипа содержит умножители 10 и 11, первыми входами соединенные между собой, со входом устройства и с устройством синхронизации 15, а выходами через ПФ16 и ПФ17 к ФД18, выход которого является выходом устройства, при этом выход УС 15 через ФОПСП12 и ГОПСП13 соединены ко вторым входами УМ 10 и 11, а выходы УФ14 соединены со вторыми входами ФОПСП12 и ГОПСП13 соответственно.
Прототип работает следующим образом.
В передатчике ГНТЧ 1 формирует 2 частоты: тактовую частоту для ФОПСП2 и ГПСП3 и несущую частоту сигнала. Тактовая частота с выхода ГНТЧ1 поступает на вход ФОПСП и ГПСП3, которые вырабатывают двоичные псевдослучайные последовательности. Эти последовательности представляют собой совокупность биполярных импульсов постоянного тока одинаковой величины и длительности, которая определяется тактовой частотой.
Устройство фазирования 4 устанавливает сдвиговые регистры ФОПСП2 и ГПСП3 в одинаковые начальные состояния, что обеспечивает связь по фазе их псевдослучайных последовательностей. УФ4 состоит из дешифраторов начальных состояний ФОПСП2 и ГПСП3 и импульсной схемы фазирования, которая обеспечивает совмещение их начальных состояний по фазе.
Псевдослучайная последовательность с выхода ФОПСП 2 поступает на умножитель 5. На второй вход УМ5 через ФВ90° 7 с выхода ГНТЧ1 поступает колебание несущей частоты, которое в УМ5 умножается на псевдослучайную последовательность. В результате на выходе УМ5 образуется сигнал, представляющий собой колебание несущей частоты с постоянной амплитудой, манипулированное по фазе на 180° по закону псевдослучайной последовательности (ПСП). ПСП с выхода ГПСП поступает на УМ6, на второй вход которого через ФМ8 с выхода ГНТ41 поступает колебание несущей частоты. На выходе УМ6 образуется сигнал, представляющий собой колебание несущей частоты с постоянной амплитудой, манипулированное по фазе на 180° по закону ПСП. В зависимости от закона передаваемой информации ФМ8 осуществляет поворот фазы несущей частоты сигнала на выходе УМ6 относительно несущей частоты сигнала на выходе УМ5 на 0° или 180°. Таким образом, в зависимости от знака передаваемой информации несущие частоты этих сигналов сдвинуты между собой по фазе.
С выходов УМ5 и 6 сигналы поступают на схему сложения 9, которая образует выходной сигнал передатчика, представляющий собой колебание несущей частоты с постоянной амплитудой, манипулированное по фазе на 0, 90, 180, 270°, причем моменты манипуляции и порядок следования этих величин фаз определяются соотношением знаков элементов псевдослучайных последовательностей ФОПСП2 и ГПСП3 и передаваемой разности фаз. Со схемы сложения 9 сигнал поступает в высокочастотный передатчик и излучается в эфир.
Принимаемый сигнал с выхода высокочастотного приемника поступает на УМ10 и 11, аналогичные УМ5 и 6 передатчика. В УМ 10 принимаемый сигнал умножается на ПСП, которую вырабатывает ФОПСП12, аналогичный ФОПСП2 передатчика. Сигнал с выхода УМ10 поступает на ПФ16, который выделяет колебание несущей частоты сигнала. В УМ11 принимаемый сигнал умножается на ПСП, которую формирует ГОПСП13, аналогичный ГПСП3 передатчика. Сигнал с выхода УМ11 поступает на ПФ17, который выделяет манипулированное по фазе колебание несущей частоты сигнала.
УФ14 аналогичное УФ4 передатчика, обеспечивает связь по фазе выходных последовательностей ФОПСП12 и ГОПСП13, соответствующую связи по фазе последовательностей ФОПСП2 и ГПСП3 передатчика.
ПСП, вырабатываемые генераторами в приемнике, синхронизируются с ПСП принимаемого сигнала с помощью УС15. В качестве УС используются известные устройства синхронизации, обеспечивающие синхронизм местных сигналов приемника с принимаемым сигналом на основе анализа функции взаимной корреляции принимаемого и местных сигналов.
Колебание несущей частоты с выходов ПФ16 и 17 поступают на ФД18, который измеряет информационную разность фаз между ними. Ширина полосы пропускания ПФ16 и 17 выбирается равной эффективной ширине спектра сообщения с запасом на нестабильность несущей частоты.
Недостатком аппаратуры для передачи дискретной информации по авторскому свидетельству №300946, взятой за прототип, является снижение помехозащищенности ее по отношению к случайным и преднамеренным помехам при увеличении скорости передачи информации.
Как было показано выше, при заданном максимальном значении тактовой частоты, определяемом возможностями аппаратурой реализации или полосой частот, выделенной для связи, величина базы сигнала уменьшается с ростом передачи информации, а следовательно, снижается помехозащищенность системы связи N случайным и преднамеренным помехам, степень подавления которых пропорциональна величине базы сигнала.
Целью предлагаемого изобретения является повышение помехозащищенности радиосвязи по отношению к случайным и преднамеренным помехам при увеличении скорости передачи информации.
Указанная цель достигается за счет того, что вводятся в передающую часть формирователь частотно-временного кода, формирователь сигналов с частотно-временным кодом, модулятор и схема сложения с регулировкой уровней сигналов, в приемную часть - блок выделения сигнала и оценки качества канала, формирователь частотно-временного кода, блок выделения сигналов с частотно-временным кодом, демодулятор, блок формирования программы перестройки, блок формирования сигналов управления, блок выделения сигналов управления, введен обратный канал, аналогичный прямому каналу, то есть на обоих концах радиолинии имеется как передающая, так и приемная аппаратура, при этом выход блока выделения сигналов управления приемника соединяется со входом фазового манипулятора передатчика, а выход блока формирования сигналов управления приемника со входом формирователя частотно-временного кода передатчика.
Блок-схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2, где использованы следующие обозначения: блоки 1-8, 10-18, 1-8, 10-18 полностью аналогичны блокам прототипа, при этом блоками 1÷8, 10÷18 обозначены блоки обратного канала, аналогичные блокам прямого канала;
9, 9' - схемы сложения с регулировкой уровней сигналов прямого и обратного каналов,
19, 19' - формирователи сигналов с частотно-временным кодом (ЧВК) прямого и обратного каналов,
20, 20' - модуляторы прямого и обратного каналов,
21, 28, 21', 28' - формирователи частотно-временного кода (ФЧВК) прямого и обратного каналов,
22, 22' - блоки выделения сигналов и оценки качества канала,
23, 23' - блоки формирования частотно-временного кода (БФЧВК) прямого и обратного каналов,
24, 24' - блоки формирования сигналов управления (БФСУ) прямого и обратного каналов,
25, 25' - блоки выделения сигналов управления (БВСУ) прямого и обратного каналов,
26, 26' - блоки выделения сигналов с частотно-временным кодом (ЧВК) прямого и обратного каналов,
27, 27' - демодуляторы прямого и обратного каналов.
Передатчик корреспондента предлагаемой системы содержит блоки 1÷8, соединенные между собой так же, как и в прототипе, модулятор 20, вход которого является входом устройства, а выход соединен со входом формирователя сигналов с ЧВК 19, вторым входом соединенным с выходом ФЧВК 21, первый вход которого соединен с первым выходом ГНТЧ1. Выходы блоков 5, 6 и 19 соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами блока 9.
Приемная часть аппаратуры корреспондента 5 содержит блоки 10÷18, соединенные так же, как в прототипе, блок 22, выход которого является входом устройства, первый выход через блоки 26 и 27 соединяется с выходом устройства, а второй со входом блока 23, выходом соединенным с первым входом блока 28 и входом блока 24, при этом выход УС15 соединен со вторым входом блока 23 и вторым входом блока 28.
Система содержит обратный канал, аналогичный прямому, т.е. с передатчику корреспондента А добавляется приемное устройство, а к приемнику корреспондента Б добавляется передающее устройство.
Аппаратура обратного канала полностью аналогична аппаратуре прямого канала, при этом выход блока 24', приемника обратного канала соединен со входом ФМ8 передатчика прямого канала, а выход блока 25' приемника обратного канала соединен со вторым входом блока 21 передатчика прямого канала.
Система работает следующим образом.
В блоках 22 и 22' осуществляется выделение шумоподобного сигнала, оценка качества состояния канала, разделение широкополосного и узкополосного сигналов с обеспечением их совместимости, определение пораженных частот по результатам оценки качества канала и формирование команд блокам 23 и 23', где формируется программа перестройки из числа частот, не пораженных помехами.
При выходе на связь корреспондента А команды управления с выхода блока 23 подаются на вход блока 28', где формируется частотно-временной код, определяемый блоком 23', и одновременно на вход блока 24', где формируется сигнал управления корреспонденту Б, в котором содержится информация об установленной корреспондентом А программе перестройки в соответствии с помеховой обстановкой.
Сигнал управления с выхода блока 24' поступает на вход ФМ8 и излучается широкополосным сигналом с низкой скоростью, величина которой при заданном значении тактовой частоты определяется требуемой степенью помехозащищенности.
Порядок прохождения сигналов в передатчике при передаче сигналов управления аналогичен порядку прохождения сигналов по блокам в передатчике прототипа при передаче информации.
В приемнике абонента Б сигнал управления поступает на блок 22 и затем в широкополосный тракт, аналогичный приемнику прототипа, выделяется в фазовом детекторе 18, декодируется в блоке 25 и поступает на вход 2 ФЧВК 21', который начинает перестраиваться по программе, выбранной корреспондентом А и совпадающей с программой перестройки ФЧВК 28'.
Работа приемника корреспондента Б в режиме приема сигналов управления аналогична работе приемника прототипа в режиме приема информации, при этом в блоке 22 производится отключение каналов, пораженных помехой, за счет чего повышается помехозащищенность приема сигнала управления.
Сигнал синхронизации, выделенный в УС15, подается на второй вход ФЧВК28', обеспечивая синхронность перестройки его по частотам ФЧВК21, одновременно сигнал с УС 15 подается на второй вход блока 23. При поступлении команды с УС15 с выхода блока 23 подаются команды управления на первый вход блока 28', где формируется частотно-временной код в соответствии с программой, назначенной блоком 23, и одновременно на вход блока 24, где формируется сигнал управления, содержащий информацию о назначенной блоком 23 программе перестройки.
Сигнал управления с выхода блока 24 поступает на вход ФМ8 передатчика обратного канала и излучается в направлении от БКА.
Выделенный в блоке ФД18' сигнал управления декодируется в блоке 25', и подается на второй вход блока 21, определяя закон его перестройки.
Сигнал синхронизации с выхода УС15' подается на первый вход блока 28', за счет чего обеспечивается синхронность перестройки блоков 21' и 28'.
Блоки 21, 2 и 3 (аналогично 21', 2', 3') работают от одного тактового генератора, при этом период одной из ПСП (вырабатываемой блоками 2 или 3) выбирается равным циклу частично-временного кода. Это обеспечивает возможность использования сигнала синхронизации, переданного широкополосным сигналом для введения в синхронизм блоков 21 и 28 (21' и 28') без дополнительного поиска.
Таким образом, блок 23' корреспондента А вырабатывает адаптирующуюся к своей помеховой обстановке программу (исключая пораженные частоты) и управляет работой ФЧВК 28' своего приемника и ФЧВК 21' передатчика абонента Б по прямому каналу, а блок 23 абонента Б вырабатывает свою программу (в соответствии с его собственной помеховой обстановкой) и управляет работой ФЧВК 28 своего приемника и ФЧВК 21 передатчика корреспондента А по обратному каналу.
Одновременно с сигналом управления (или с заранее установленной задержкой на время необходимое для установления синхронизации и обмена сигналами управления) на вход блока 20 корреспондента А подается информация, где формируется узкополосный сигнал известными способами, например, с применением амплитудной или частотной модуляции. Сигнал с выхода блока 20 подается на вход блока 19, на второй вход которого поступает сигнал с блока 21. Сигнал на выходе блока 21 представляет собой последовательность радиоимпульсов, излучаемых на различных частотах, закон передования которых определяется блоком 23 корреспондента Б.
На выходе блока 19 корреспондента А формируется узкополосный сигнал с несущей, изменяющейся по квазихаотической программе, адаптирующейся к помеховой обстановке за счет исключения частот, пораженных помехами в приемном устройстве абонента Б.
Узкополосный сигнал с несущей, изменяющейся в соответствии с частотно-временным кодом, подается на вход 3 блока 9, куда одновременно поступает широкополосный фазоманипулированный сигнал с выходов блоков 5 и 6. В блоке 9 осуществляется сложение шумоподобного фазоманипулированного сигнала, несущего служебную низкоскоростную информацию, и узкополосного сигнала, несущего информацию, передаваемую с высокой скоростью.
При сложении широкополосного сигнала и сигнала с ЧВК с равными амплитудами происходит потеря мощности сигнала на 3 дБ.
Однако эти потери могут быть значительно снижены за счет перераспределения уровней сигналов, широкополосного и с ЧВК в блоке 9 таким образом, чтобы обеспечить минимальные потери энергетики сигнала с ЧВК, несущего информацию. Снижение мощности широкополосного сигнала может быть скомпенсировано за счет увеличения времени накопления сигнала при синхронизации и незначительного увеличения базы сигнала в режиме передачи сигналов управления.
Информационный сигнал с ЧВК поступает на вход блока 22, с выхода которого поступает на вход блока 26, на второй вход которого подается сигнал с ФЧВК 28, который перестраивается по программе синхронной и одинаковой с программой ФЧВК21. В блоке 26 осуществляется свертка сигнала с ЧВК на одну промежуточную частоту (одинаковую для всех частотно-временных позиций сигнала), с выхода блока 26 сигнал поступает в демодулятор 27, с выхода которого поступает к потребителю.
Передача информации в направлении от Б к А производится аналогичным образом.
Таким образом, в предлагаемой адаптивной широкополосной системе связи обеспечивается скрытое вхождение в синхронизм шумоподобным сигналом с большой базой, определение каналов приема, пораженных помехами, формирование адаптивного частотно-временного кода из числа частот, не пораженных помехами, передача назначенного частотно-временного кода абоненту низкоскоростным сигналом управления, адаптивная смена частотно-временного кода при изменении помеховой обстановки и передача информации на несущей частоте, перестраиваемой в соответствии с ЧВК, адаптирующемуся к помеховой обстановке.
Значит, если в аппаратуре взятой за прототип помехозащищенность радиосвязи по отношению к случайным и преднамеренным помехам снижается с увеличением скорости передачи информации за счет уменьшения базы сигнала, то в предлагаемой системе связи она определяется выбранным частотно-временным кодом и не зависит от скорости передачи информации.
Применение частотно-временного кода, формируемого корреспондентом непосредственно перед выходом на связь и изменяющегося в соответствии с помеховой обстановкой с большим числом элементов в коде (наличии длинных циклов, неповторяющихся в течение сеанса связи) позволяет повысить помехозащищенность системы связи к преднамеренным помехам противника.
Повышение помехозащищенности к случайным сосредоточенным помехам в режиме передачи информации обеспечивается за счет адаптивного изменения частотно-временного кода путем исключения пораженных частот. В виду того, что сигналы управления являются низкоскоростными, их помехозащищенность к случайным и преднамеренным помехам обеспечивается за счет применения шумоподобных сигналов с заранее выбранной базой.
Формула изобретения
Адаптивная широкополосная система связи, содержащая передающей стороне генератор несущей и тактовой частот, выход которого через формирователь ортогональной псевдослучайной последовательности (ПСП) и первый умножитель подключен к одному из входов сумматора, а через генератор ПСП и второй умножитель - к другому входу сумматора, вторые входы формирователя ортогональной ПСП и генератора ПСП соединены между собой через блок фазирования, а второй выход генератора несущей и тактовой частот соединен со вторым входном первого умножителя через фазовращатель, а со вторым входом второго умножителя - через фазовый манипулятор, а на приемной стороне - два коррелятора, выходы которых подключены ко входам фазового детектора, а входы объединены со входом приемника, соединенному через блок синхронизации с входами формирователя ортогональной ПСП и генератора опорной ПСП, выходы которого соответственно подключены ко вторым входам корреляторов, а вторые входы - к выходам блока фазирования, отличающаяся тем, что, с целью повышения помехозащищенности при увеличении скорости передачи информации, на передающей стороне введены формирователь частотно-временного кода (ЧВК), модулятор, формирователь сигналов ЧВК, сумматор, причем выход генератора несущей и тактовой частот соединен со входом формирователя ЧВК, выход которого подключен ко входу формирователя сигналов ЧВК, второй вход которого через модулятор соединен со входами системы, а выход соединен с третьим входом сумматора, а на приемной стороне введены блок выделения сигналов и оценки качества каналов, блок формирования ЧВК, блок формирования сигнала вызова, блок выделения сигнала вызова, блок выделения сигналов ЧВК, демодулятор и введен обратный канал, аналогичный прямому каналу, причем первый выход блока выделения сигналов и оценки качества каналов соединен через блок синхронизации со вторым входом формирователя ЧВК, а через блок выделения сигналов ЧВК и демодулятор - с выходом системы, второй выход блока выделения сигналов и оценки качества каналов соединен со входом формирователя сигналов ЧВК, выход которого соединен со входом формирователя ЧВК, выход которого подключен к входу блока выделения сигналов ЧВК и блока формирования сигнала вызова, выход которого соединен с входом фазового манипулятора передатчика обратного канала, а выход фазового детектора через блок формирования сигнала вызова соединен со вторым входом формирователя ЧВК передатчика обратного канала.
РИСУНКИ
