Способ и устройство передачи сообщений широкополосными сигналами

 

Изобретение относится к области радиосвязи и может найти применение в системах приема-передачи информации широкополосными сигналами. Техническим результатом является качественное восстановление на приемной стороне фазоманипулированного сигнала при рациональном использовании мощности радиоаппаратуры. Способ передачи сообщений широкополосными сигналами заключается в том, что передают информационный сигнал, модулированный псевдослучайной последовательностью (ПСП), которую сдвигают по времени на один такт в зависимости от амплитуды передаваемого сигнала, а при приеме накапливают результаты перемножения принимаемого сигнала с копией моделирующей ПСП, сравнивают их и выбирают канал с большим значением накопления. Устройство содержит генератор несущей и тактовой частот, генератор модулирующей ПСП, фазовый манипулятор, два перемножителя, устройство синхронизации, генератор копии ПСП, два интегратора и элемент задержки. 2 с.п.ф-лы, 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области радиосвязи и может найти применение в системах приема-передачи информации широкополосными сигналами.

Известны формирователи и приемники для ФМ сигналом, описанные в книге Варакина Л.Е. "Системы связи с шумоподобными сигналами". - М.: Радио и связь, 1985, стр. 16, рис. 1.7, стр. 18 рис. 1.9, стр. 19 рис. 1.11, стр. 20 рис. 1.12.

Известна система связи, описанная в книге "Шумоподобные системы в системах передачи информации", под ред. В.Б.Пестрякова. - М.: Сов.радио, 1973.

Работа этих известных устройств основана на необходимости передачи опорного сигнала для восстановления фазоманипулированного сигнала на приемной стороне, что приводит к усложнению аппаратуры связи, нерациональному использованию энергии передатчика, при этом помехоустойчивость к узкополосным помехам невысока.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемым способу и устройству является аппаратура приема-передачи по а.с. N 300946, 1971 г. Этот способ заключается в следующем.

На передающей стороне формируют сфазированные между собой ортогональные ПСП, которые умножают на колебание несущей частоты, которое сдвигают по фазе на 90^o, и на колебание несущей частоты, проманипулированные по фазе на 0^o, результаты перемножения складывают, получая четырехфазный псевдослучайный сигнал.

На приемной стороне принятые сигналы демодулируют и фильтруют. В результате выделяют колебание несущей частоты и то же колебание, проманипулированное по фазе передаваемой дискретной информацией, затем из этих колебаний выделяют информационную жидкость фаз между сигналами.

Для реализации этого способа служит устройство, представленное на фиг. 1, где обозначено: 1 - генератор несущей и тактовой частот (ГНТЧ); 2, 12 - формирователь ортогональной ПСП (ФОПП); 3 - генератор ПСП; 4, 14 - устройство фазирования; 5, 6, 10, 11 - умножители; 7 - фазовращатель на 90^o; 8 - фазовый манипулятор; 9 - сумматор; 13 - генератор опорной ПСП (ГОПП); 15 - устройство синхронизации; 16, 17 - полосовые фильтры; 18 - фазовый детектор.

В передатчике ГНТЧ одним выходом соединен со входами ФОПП 2 и ГПСП 3, вторые входы которых соединены с устройством фазирования 4. Выход ФОПП 2 соединен со входом умножителя 5, второй вход которого через фазовращатель 7 соединен со вторым выходом ГНТЧ 1. Выход ГПСП 3 соединен со входом умножителя 6, второй вход которого через фазовый манипулятор 8 соединен со вторым выходом ГНТЧ 1. Выходы умножителей 5 и 6 соединены со входами сумматора 9.

В приемнике умножители 10 и 11 соединены со входом устройства синхронизации 15 и со входом устройства. Выход устройства синхронизации 15 соединен со входами ФОПП 12 и ГОПП 13, вторые входы которых соединены с устройством фазирования 14. Выход ФОПП 12 соединен со вторым входом умножителя 10, выход которого через полосовой фильтр 16 соединен со входом фазового детектора 18. Выход ГОПП 13 соединен со вторым входом умножителя 11, выход которого через полосовой фильтр 17 соединен со вторым входом фазового детектора 18.

Недостатком такого способа и устройства является необходимость передачи опорного сигнала для качественного восстановления фазоманипулированного сигнала на приемной стороне, что приводит к нерациональному использованию мощности радиоаппаратуры.

Для устранения этого недостатка в способе передачи сообщений широкополосными сигналами, основанном на том, что при передаче модулируют дискретный информационный сигнал псевдослучайной последовательностью, манипулируют фазу несущего колебания в соответствии с генерируемой ПСП, а при приеме перемножают принимаемый сигнал с местной копией, при передаче формируют ПСП вида (N+1) и базовую ПСП сдвигают дискретно или плавно, в зависимости от значения передаваемого цифрового или аналогового сигнала; при приеме накапливают результаты перемножения принимаемой ПСП с копиями в двух каналах и выносят решение о значении принимаемого сигнала.

В устройстве, содержащем на передающей стороне генератор несущей и тактовой частот, один выход которого соединен со входом генератора ПСП, а другой - со входом фазового манипулятора; на приемной стороне содержащее устройство синхронизации, вход которого объединен со входами первого и второго умножителей, генератор ПСП, вход которого соединен с выходом устройства синхронизации; на передающей стороне выход генератора ПСП соединен со вторым входом фазового манипулятора, на приемной стороне введены первый и второй интеграторы, выходы которых соединены со схемой сравнения, первые входы интеграторов соединены с выходами соответствующих умножителей, а вторые входы интеграторов и третий вход схемы сравнения соединены с выходом устройства синхронизации.

Предлагаемый способ заключается в следующем.

На передаче: модулируют дискретный информационный сигнал ПСП вида (N+1), где N=2^m-1, специально доопределяют дополнительный бит, базовую ПСП сдвигают на τ_n дискретно, если передаваемый сигнал дискретный, или с плавным сдвигом кодирующей ПСП в пределах τ_n, если передаваемый сигнал аналоговый, манипулируют фазу несущего колебания в соответствии с генерируемой последовательностью.

На приеме: перемножают принимаемую ПСП типа (N+1) с копией (N+1), накапливают результат перемножения, сравнивают результаты накопления в разных каналах приема, выносят решение о значении принятого сигнала.

Для реализации этого способа используется устройство, представленное на фиг. 2, где обозначено: 1 - генератор несущей и тактовой частот (ГНТЧ); 2 - генератор ПСП вида (N+1); 3 - фазовый манипулятор; 4 - устройство синхронизации; 5 - генератор ПСП вида (N+1); 6, 7 - умножители; 8, 9 - интеграторы; 10 - схема сравнения; 11 - элемент задержки.

На передающей стороне система содержит ГНТЧ 1, один выход которого соединен с фазовым манипулятором 3, а другой - со входом ГПСП 2, выход которого соединен со вторым входом фазового манипулятора 3.

На приемной стороне устройство синхронизации 4 своим входом соединено со входами с первым 6 и со вторым 7 умножителями, вторые входы которых соединены с выходами ГПСП 5, один непосредственно, другой через элемент 11. Вход ГПСП 5 соединен с выходом устройства синхронизации 4. Выход умножителя 6 через интегратор 8 соединен со входом схемы сравнения 10. Выход умножителя 7 через интегратор 9 соединен со вторым входом схемы сравнения 10. Вторые входы интеграторов 8 и 9 и третий вход схемы сравнения 10 соединены с выходом устройства синхронизации 4.

Работает система следующим образом. В передатчике генератор ГНТЧ 1 формирует несущую и тактовую частоты. С выхода ГНТЧ 1 тактовая частота поступает на вход генератора ПСП 2, который формирует двоичную псевдослучайную последовательность специального вида N+1, сдвиг которой определяется дискретно или плавно в пределах τ_n, в зависимости от передаваемого дискретного или аналогового сигнала. Несущая частота от ГНТЧ 1 и ПСП от генератора 2 поступает в фазовый манипулятор 3, который осуществляет манипуляцию колебания несущей частоты на 180^o по закону ПСП. С выхода фазового манипулятора 3 сигнал поступает в высокочастотный передатчик и излучается в эфир.

В приемнике принимаемый сигнал поступает на входы умножителей 6 и 7, где перемножается с копиями местного генератора ПСП 5, причем виды копий для каналов приема 0 и 1 различны. Интеграторы 8 и 9 накапливают результаты перемножения и выдают их на схему сравнения 10, которая определяет значение передаваемой информации. Синхронизация работы приемника - момент запуска генератора ПСП 5, момент сброса интеграторов 8 и 9 и разрешение работы схемы сравнения 10, обеспечивается устройством синхронизации.

Эпюры формируемых сигналов представлены на фиг. 3,а и 3,б (на примере 7 элементной последовательности), из которых следует, что для формирования ПСП N+1 может использоваться обычный генератор ПСП с расширенным на 1 бит периодом и возможностью сдвига кодирующей ПСП в пределах τ_n, в зависимости от значения кодируемого сигнала.

В настоящее время широкое распространение в технике связи с ШПС получили фазовые методы модуляции и демодуляции сообщений с опорным сигналом (пилот-сигналом), позволяющим выделить из принимаемого радиосигнала опорные колебания, необходимые для работы фазового детектора.

При этом известно, что работа противоположными сигналами дает выигрыш в 3 дБ по сравнению с ортогональными сигналами. Однако передача пилот-сигнала отнимает половину излучаемой радиостанцией мощности, т.е. мощность сигнала уменьшается в 2 раза. Таким образом, потери из-за применения пилот-сигнала составляют также 3 дБ. Из этого следует, что помехоустойчивость работы ортогональными сигналами и противоположными сигналами (с пилот-сигналом) одинакова.

Если учесть, что ПСП, манипулирующая пилот-сигнал, и ПСП, манипулирующая информационные сигналы, неортогональны и влияют друг на друга в соответствии с их взаимнокорреляционной функцией, причем взаимные помехи возрастают с уменьшением базы сигнала, то становится ясной причина попытки поиска более простых решений по модуляции и демодуляции сигналов сообщений.

Если реализовать работу в системе связи сигналами, близкими к ортогональным (в той степени, в которой ансамбль сигналов на циклических сдвигах ПСП соответствует ортогональному), то используют один тракт формирования ШПС в передатчике, вместо 2-х трактов пилот-сигнала и информационного. Соответственно и на приеме будет использован только один тракт выделения ШПС.

Пусть в синхронном режиме работы ШПС радиолинии произошел сдвиг обрабатываемой ПСП на интервал времени, равный половине длительности одного элемента ПСП. На этот сдвиг сразу же отреагирует временной дискриминатор приемника ШПС, обеспечивающий слежение за временем прихода ПСП, т.е. синхронизирует радиолинию. Результатом этой реакции будет изменение напряжения на выходе временного дискриминатора. Используют этот факт для передачи двоичных сообщений.

Для этого на передающей стороне сдвигают начало цикла ПСП на длительность одного такта ПСП относительно переднего фронта элемента сообщения при передаче "0" и совмещают начало цикла ПСП с передним фронтом элемента сообщения при передаче "1". Чтобы исключить "наползание" манипулирующей ПСП на временные интервалы соседних элементов сообщения в процессе передачи указанных сдвигов начала цикла ПСП, при сохранении его длительности, нужно согласовать с длительностью элемента сообщения длительность элемента ПСП, таким образом, чтобы на длине одного элемента сообщения размещалось N+1, а не N= 2^m-1 элементов ПСП. Т.е. если ПСП, манипулирующая элемент сообщения, имеет длину, например, 31 элемент, то длительность одного элемента ПСП должна быть в 32 раза короче длительности элемента сообщения. При этом создается резерв времени, равный длительности одного элемента ПСП, для реализации указанных сдвигов в пределах одного элемента сообщения.

Характеристика временного дискриминатора, используемого в приемнике для введения элементов сообщения, должна несколько отличаться от характеристики устройства, синхронизирующего радиолинию, и формируется разностью выходных напряжений двух корреляторов, начало цикла опорной копии ПСП в одном из которых совпадает с началом выделяемого символа сообщения, а во втором - сдвинуто на один такт ПСП.

В результате при передаче "1" приходящая ПСП будет полностью совпадать с одной из опорных ПСП и дискриминатор выдает на решающее устройство "+U". При передаче "0" принятая ПСП совпадает с другой опорной ПСП за счет сдвига на один элемент и на решающее устройство поступает "-U". Решение о значении принятого символа сообщения выносится при нулевом пороге по факту его превышения либо непревышения.

При наличии введенного "резервного" временного интервала, 32-го при передаче "1" и 1-го при передаче "0", ухудшаются взаимные корреляционные свойства сигналов. Строго говоря, результаты сдвига принятой ПСП на выходе корреляционных устройств уже не будут соответствовать автокорреляционной функции. Устранить этот недостаток можно доопределением 32-го временного интервала значением 1-го элемента передаваемой ПСП при передаче символа сообщения "1" и доопределением 1-го временного интервала значением 31-го элемента ПСП при передаче символа сообщения "0". Аналогичным образом должны быть доопределены копии ПСП, используемые во временном дискриминаторе. С учетом проведенных доопределений ПСП результаты взаимодействий принимаемых сигналов и формируемых во временном дискриминаторе будут полностью соответствовать АКФ.

По своей сущности рассмотренный способ передачи двоичных сообщений соответствует модуляции ВИМ (ФИМ), но с заменой импульсов псевдослучайной последовательностью.

Возвращаясь к фазовому методу передачи сообщений ШПС с пилот-сигналом видно, что для заявляемого способа на базе устройства с пилот-сигналом нужно исключить из него формирование информационного канала на передаче и тракты выделения элементов сообщения (информационный коррелятор, схемы поиска и синхронизации информационного ПСП, фазовый детектор) на приеме. При этом оставшийся тракт формирования и выделения пилот-сигнала будет совмещать прежние функции по поиску и синхронизации ПСП и выполнять новые: передачу и выделение элементов сообщения. Помехоустойчивость приема в этом случае будет выше из-за устранения влияния ВКФ информационной ПСП и ПСП пилот-сигнала.

Способ передачи и приема двоичных сообщений временным сдвигом ПСП на один такт ПСП может быть распространен и непосредственно на случай передачи аналоговой речевой информации.

Если временному сдвигу передаваемой ПСП придавать любое из возможных значений в пределах длительности одного элемента ПСП, то для этого необходимо задать исходное состояние временного сдвига ПСП в передатчике таким образом, чтобы оно соответствовало нулю временной дискриминационной характеристики приемника. Это достигается сдвигом во времени на половину длительности такта ПСП сигнала, соответствующего передаче "1" (сдвиг по оси времени вправо), если использовать "0" - сдвиг по оси времени влево. Это условие выполняется автоматически для сигнала ПСП, соответствующего "1" сообщения, если при преобразовании уровня аналогового сигнала во временной сдвиг использовать пилообразное напряжение. Формируя пилообразные импульсы по тактовым импульсам ПСП, начиная с первого тактового импульса, совпадающего с передним фронтом символа передаваемого сообщения, и сравнивая наклонные участки пилы с пороговым напряжением, равным половине амплитуды пилы, получим точки пересечения, лежащие точно в серединах временных интервалов между исходными тактовыми импульсами ПСП. При отсутствии аналогового напряжения, т.е. нулевом его значении на входе компаратора, используя полученные точки пересечения для формирования новых тактовых импульсов ПСП, приходим на передаче к сигналу ПСП, совпадающему с нулевым значением дискриминационной характеристики приемника.

Если к пороговому напряжению на одном из входов компаратора будет добавляться положительное или отрицательное аналоговое напряжение, то точки пересечения наклонных участков пилы с новыми значениями порогового напряжения будут смещаться относительно среднего положения влево или вправо. Тактовые импульсы определяются этими точками и формируются по ним ПСП в соответствии с изменениями величины и знака аналогового напряжения сообщения. Временной дискриминатор сигналов ПСП на приемной стороне, преобразуя временные сдвиги принимаемой ПСП в уровни напряжения, будет повторять на своем выходе форму напряжения передаваемого сообщения.

Патентообладатель - Воронежский НИИ связи.

Формула изобретения

1. Способ приема и передачи сообщений широкополосными сигналами, заключающийся в том, что передают информационный сигнал, моделированный псевдослучайной последовательностью, причем фазу несущего колебания манипулируют в соответствии с модулирующей псевдослучайной последовательностью, принимают сигнал, перемножают принимаемый сигнал с копией модулирующей псевдослучайной последовательности, отличающийся тем, что при передаче модулирующую псевдослучайную последовательность сдвигают по времени на один такт в зависимости от амплитуды передаваемого сигнала, а при приеме накапливают результаты перемножения принимаемого сигнала с копией модулирующей псевдослучайной последовательности, сравнивают их и выбирают канал с большим значением накопления.

2. Устройство приема и передачи сообщений широкополосными сигналами, содержащее на передающей стороне генератор несущей и тактовой частот, соединенный с входом генератора модулирующей псевдослучайной последовательности, фазовый манипулятор, вход которого соединен с вторым выходом генератора несущей и тактовой частот, а на приемной стороне содержащее первый и второй перемножители, первые входы которых объединены и соединены с входом устройства синхронизации, а вторые входы соединены с выходом генератора копии модулирующей псевдослучайной последовательности, вход которого соединен с выходом устройства синхронизации, отличающееся тем, что на передающей стороне выход генератора модулирующей псевдослучайной последовательности соединен с вторым входом фазового манипулятора, а на приемной стороне введены первый и второй интеграторы, выходы которых соединены с входами схемы сравнения, первые входы интеграторов соединены с выходами соответствующих перемножителей, причем второй вход первого перемножителя соединен с выходом генератора копии модулирующей псевдослучайной последовательности через элемент задержки, вторые входы интеграторов и третий вход схемы сравнения соединены с выходом устройства синхронизации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3