Способ передачи информации в системе связи с шумоподобными сигналами
Способ передачи информации в системе связи с шумоподобными сигналами относится к области радиотехники и может найти применение в системах связи с шумоподобными сигналами. Достигаемый технический результат - увеличение скорости передачи информации по каналу связи. Согласно способу цифровые данные, полученные от источника информации на временном промежутке [(n-1)Т, nT], где Т - период псевдослучайной последовательности (ПСП), n=0, 1, 2..., при передаче преобразуют в сдвиг ПСП, формируемой на временном промежутке [nT, (n+1)Т], а при приеме определяют величину сдвига ПСП принятого сигнала относительно ПСП ранее принятого сигнала, величину сдвига преобразуют в цифровые данные принятой информации. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к области радиотехники и может найти применение в системах связи с шумоподобными сигналами.
Основной задачей, которую приходится решать при проектировании систем передачи информации, является выбор сигналов, видов модуляции и кодирования, которые позволят получить максимальную помехозащищенность и обеспечить высокую скорость передачи информации в канале связи.
Известны способы передачи информации в системах связи с шумоподобными сигналами, реализуемые в следующих патентах:
Патент №2085046, "Система для передачи дискретной информации", патентообладатель акционерное общество "БСД/СИЛИКОН", 1997.07.20.
Патент №2219660 "Линия радиосвязи", патентообладатель ФГУП ВНИИС, авторы Заплетин Ю.В. и др.;
Книга "Шумоподобные сигналы в системах передачи информации" под редакцией В.Б. Пестрякова. М.: Сов. Радио, 1973.
Книга "Широкополосные системы" автора Диксона Р.К. - М.: Связь, 1979, с.207-209.
Известные системы связи используют шумоподобные сигналы, полученные в результате фазовой манипуляции сигнала несущей частоты псевдослучайной последовательностью. В данных системах связи каждый бит передаваемой информации кодируется псевдослучайной последовательностью, что позволяет обеспечить высокую помехозащищенность.
Известно, что чем больше база сигнала или длина используемой псевдослучайной последовательности, тем выше помехозащищенность шумоподобной системы связи. Однако, обладая высокой помехозащищенностью, такие системы будут иметь низкую скорость передачи информации, что является их недостатком.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к заявляемому способу передачи информации в системе связи с шумоподобными сигналами является способ передачи информации, описанный в книге "Системы связи с шумоподобными сигналами" автора Л.Е. Варакина. - М.: Радио и связь, 1985, с.16-18.
Известный способ передачи информации включает формирование сигналов (колебаний) несущей и тактовой частот. Из сигнала тактовой частоты формируют псевдослучайную последовательность (ПСП), производят фазовую манипуляцию бинарной последовательностью импульсов, поступающей от источника информации. В процессе фазовой манипуляции, в зависимости от того, что надо передать: 1 или 0, импульсы источника информации заменяют прямой или инверсной псевдослучайной последовательностью. Сигнал несущей частоты манипулируют по фазе (0, 180) псевдослучайной последовательностью импульсов, проманипулированной по фазе от источника информации. Сформированный на несущей частоте сигнал усиливают и излучают по каналу связи. В приемном устройстве сигнал переносят на промежуточную частоту, усиливают и обрабатывают согласованным фильтром. Затем производят поиск, синхронизацию и фазовую автоподстройку по несущей частоте. После окончания поиска и синхронизации из выходного сигнала согласованного фильтра формируют информационную последовательность бинарных импульсов, которую передают получателю информации.
В известном способе передачи информации последовательность импульсов, поступающая от источника информации, осуществляет фазовую манипуляцию псевдослучайной последовательности. Каждый бит передаваемой информации заменяется прямой или инверсной псевдослучайной последовательностью. За интервал времени, равный периоду псевдослучайной последовательности, можно передать только один бит информации.
Недостатком описанного способа является низкая скорость передачи информации, которая составляет R=1/Т бит/с (где Т - период ПСП).
Заявляемый способ передачи информации в системе связи с шумоподобными сигналами позволяет увеличить скорость передачи информации по каналу связи.
Достигается это за счет того, что в способе передачи информации в системе связи с шумоподобными сигналами формируют сигналы несущей и тактовой частот. Из сигнала тактовой частоты формируют псевдослучайную последовательность, которую манипулируют по фазе от источника информации, а сигнал несущей частоты манипулируют по фазе псевдослучайной последовательностью, которая проманипулирована по фазе от источника информации. Сформированный на несущей частоте сигнал усиливают и излучают по каналу связи. В приемном устройстве входной сигнал усиливают, преобразуют по частоте, формируют сигнал тактовой частоты, из которого формируют псевдослучайную последовательность. Затем производят синхронизацию сформированной псевдослучайной последовательности с входным сигналом и выделяют информацию.
За счет того что на передающей стороне цифровые данные, поступающие от источника информации за интервал времени, равный периоду псевдослучайной последовательности, взаимно однозначно преобразуют в сдвиг элементы формируемой псевдослучайной последовательности относительно элементов ранее сформированной псевдослучайной последовательности, а на приемной стороне определяют величину этого сдвига и преобразуют ее в цифровые данные принятой информации, появляется возможность создания дополнительного канала передачи информации.
Технический результат заключается в увеличении скорости передачи информации в системе связи с шумоподобными сигналами за счет создания дополнительного канала связи, позволяющего за время, равное периоду псевдослучайной последовательности, увеличить скорость передачи информации в log2N+1 раз (где N - количество элементов ПСП). Если выбрать N=2n, то получим увеличение скорости в log22n+1=n+1 раз.
Рассмотрим случай, когда в передатчике при формировании псевдослучайной последовательности на отрезке времени [nT, (n+1)Т] (где n=0, 1, 2, ...; Т - период ПСП) в качестве опорной последовательности используется последовательность, сформированная на предыдущем отрезке времени [(n-1)Т, nT]. В соответствии с заявляемым способом передачи информации в системе связи с шумоподобными сигналами цифровые данные, полученные от источника информации на временном отрезке [(n-1)Т, nT], будут преобразовывать в сдвиг псевдослучайную последовательность на участке [nT, (n+1)Т] относительно псевдослучайной последовательности на временном отрезке [(n-1)Т, nT].
На фиг.1 показана временная диаграмма, поясняющая сдвиг ПСП (для последовательностей, состоящих из восьми элементов, которые обозначены цифрами 1, 2, ..., 7, 8), соответствующий цифровым данным.
На фиг.2 показаны результаты вычисления решетчатой функции взаимной корреляции R(n) в приемном устройстве для псевдослучайных последовательностей, состоящих из восьми элементов. Буквами М0, М1, М2, М3 обозначены значения элементов n, при которых функция корреляции R(n) на отрезках [0, Т], [Т, 2Т], [2Т, 3Т], [3Т, 4Т] принимает максимальные или минимальные (показанные пунктиром) значения.
На передающей стороне цифровые данные, поступившие от источника информации на временном отрезке [(n-1)Т, nT], преобразуют в циклический сдвиг формируемые последовательности на временном отрезке [nT, (n+1)Т)]. Предположим, что на отрезках времени [0, T], [Т, 2T] и [2T, 3T] от источника информации поступили следующие цифровые данные (ЦД): 3,6 и 0 соответственно (см. фиг.1). Для передачи числа 3 в соответствии с заявляемым способом передачи информации в системе связи с шумоподобными сигналами, псевдослучайную последовательность на отрезке времени [Т, 2Т] циклически сдвигают на три элемента относительно псевдослучайной последовательности (ПСП) на отрезке времени [0, Т]. После циклического сдвига на отрезке времени [T, 2T] ПСП будет начинаться с 6 элемента и заканчиваться 5-м элементом. Для того чтобы передать число 6, поступившее от источника информации на временном отрезке [Т, 2Т], псевдослучайную последовательность на отрезке времени [2Т, 3Т] циклически сдвигают на 6 элементов относительно последовательности на временном отрезке [Т, 2Т]. После циклического сдвига на временном отрезке [2Т, 3Т] ПСП будет начинаться с 8-го и заканчиваться 7-м элементом. Для передачи числа 0, поступившего от источника информации на отрезке времени [2Т, 3Т], псевдослучайная последовательность на отрезке времени [3Т, 4Т] не сдвигается.
Если псевдослучайная последовательность состоит из восьми элементов, то за время, равное периоду ПСП, можно передать одно из восьми чисел 0, 1, ..., 6, 7, что соответствует передачи log28=3 битам информации. В общем случае, когда последовательность имеет N элементов, за время, равное периоду ПСП, можно передать log2N бит информации. Если N=2n (n∈N - множество натуральных чисел), то за период псевдослучайной последовательности можно передать log22n=n дополнительных бит информации.
На передающей стороне сформированная последовательность манипулирует по фазе сигнал несущей частоты, который усиливают усилителем мощности и передают по каналу связи.
В приемном устройстве сигнал усиливается и преобразуется по частоте. Затем вычисляется функция взаимной корреляции принятого сигнала с псевдослучайной последовательностью, сформированной в приемнике. После сравнения максимума функции корреляции с установленным порогом принимается решение об обнаружении сигнала и в приемном устройстве включается система фазовой автоподстройки по несущей и тактовой частоте.
В режиме выделения информации через каждый интервал времени, равный периоду псевдослучайной последовательности (Т), вычисляется функция взаимной корреляции R(n) (где n=0, 1, 2, ...) входного сигнала с псевдослучайной последовательностью приемника (см. фиг.2). Для вычисления функции взаимной корреляции в режиме реального времени можно использовать алгоритм быстрой свертки, например, описанный в книге "Теория и применение цифровой обработки сигналов", авторов Л. Рабинер, Б. Гоулд. - М.: Мир, 1978, с.687-693.
После вычисления функций взаимной корреляции R(n) на каждом временном отрезке [nT, (n+1)T] находится положение абсолютного максимума Мn. Знак функции корреляции в точке абсолютного максимума определяется бинарной последовательностью, манипулирующей фазу псевдослучайной последовательности в передатчике, в зависимости от которой последовательность может быть прямой или инверсной. Смещение абсолютного максимума функций корреляции зависит от величины циклического сдвига, который, в свою очередь, зависит от цифровых данных, полученных от источника информации. Преобразовать смещение максимума функции корреляции в цифровые данные ЦД принятой информации, можно по формуле
где N - количество элементов в периоде псевдослучайной последовательности;
Dn - цифровые данные.
Для функций корреляции, показанных на фиг.2, по формуле (1) получим D1=3, D2=6, D3=0. Знак функции корреляции определяет бинарную последовательность импульсов. Если знак (sign) функции корреляции изменился signR(M(n+1))≠signR(Mn), то принята единица, если не изменился, sign(M(n+1))=signR(Mn), то принят ноль.
В настоящее время находят широкое применение многоканальные системы связи с временным разделением каналов. Поэтому рассмотрим применение заявляемого способа передачи информации с шумоподобными сигналами в системе связи с временным разделением каналов.
На фиг.3 приведена временная диаграмма распределения каналов.
На фиг.4 показана структура сигнала абонента.
На фиг.5 показаны результаты вычислений функций взаимной корреляции в приемном устройстве абонента системы связи с временным разделением каналов.
Как показано на фиг.3, каждому абоненту многоканальной системы связи периодически, через интервалы времени, которые называют длительностью кадра (Tкад), выделяется временной канал (Δtкан) для передачи информации. Чтобы не создавать взаимных помех, временные каналы между собой разделены защитными интервалами (Δtзащ).
Сигнал абонента (фиг.4) многоканальной системы связи с временным разделением каналов формируется в выделенном ему временном канале. Сигнал состоит из двух основных частей. Первая часть, которую назовем преамбулой, предназначена только для синхронизации. Преамбула формируется фазовой манипуляцией сигнала несущей частоты псевдослучайной последовательностью. Длительность преамбулы составляет 0,5-2% от общей длительности сигнала и содержит один или два периода псевдослучайной последовательности. После преамбулы следует информационная часть сигнала, которая содержит k периодов псевдослучайной последовательности (блоки). На передающей стороне цифровые данные, поступающие от первого источника информации, преобразуют в циклический сдвиг элементы формируемой псевдослучайной последовательности относительно ПСП, содержащейся в преамбуле. Информационными битами, поступающими от второго источника информации, манипулируют по фазе ПСП в информационной части сигнала относительно ПСП преамбулы. При использовании ПСП, состоящей из 8 элементов для передачи чисел, например 4, 2 и 6, псевдослучайные последовательности, содержащиеся в 1-м, 2-м и 3-м блоках циклически сдвигают соответственно на 4, 2 и 6 элементов относительно ПСП преамбулы (см. фиг.4). Сформированным таким образом сигналом манипулируют по фазе сигнал несущей частоты, усиливают его и передают по каналу связи в выделенном временном канале.
В приемном устройстве сигнал усиливают, преобразуют по частоте и формируют ПСП в соответствии с ПСП в передатчике. Сформированную таким образом псевдослучайную последовательность синхронизируют с преамбулой принятого сигнала, затем включают системы фазовой автоподстройки по несущей и тактовой частоте. Вычисляют функции взаимной корреляции ПСП, сформированной в приемном устройстве с псевдослучайными последовательностями, содержащимися в блоках информационной части сигнала.
На фиг.5 показаны результаты вычислений функций взаимной корреляции для восьми элементных псевдослучайных последовательностей.
Номер позиции абсолютного максимума функции корреляции определяет принятую цифровую информацию в виде чисел: 4, 2 и 6 от первого источника. Знак функций корреляции в точках, соответствующих абсолютным максимальным значениям, определяет биты информации, принятые по каналу связи от второго источника.
Таким образом, за счет того что на передающей стороне цифровые данные, поступающие от источника информации, взаимно однозначно преобразуют в сдвиг элементы формируемой псевдослучайной последовательности относительно элементов ранее сформированной ПСП, выбранной на временном отрезке, равным периоду ПСП, а на приемной стороне определяют величину сдвига принимаемой псевдослучайной последовательности относительно принятой ранее и преобразуют ее в цифровые данные принятой информации, появляется возможность создания дополнительного канала передачи информации, что увеличивает скорость передачи информации в системе связи с шумоподобными сигналами (ШПС).
Увеличение скорости передачи информации в системе связи с шумоподобными сигналами достигается за счет дополнительного канала связи, позволяющего за время, равное периоду псевдослучайной последовательности, увеличить скорость передачи информации в log2N+1 раз (где N - количество элементов ПСП). Если выбрать N=2n, то получим увеличение скорости в log22n+1=n+1 раз.
1. Способ передачи информации в системе связи с шумоподобными сигналами, согласно которому цифровые данные, полученные от источника информации на временном промежутке [(n-1)Т, nT], где Т - период псевдослучайной последовательности (ПСП), n=0, 1, 2..., при передаче преобразуют в сдвиг ПСП, формируемой на временном промежутке
[nT, (n+1)Т], а при приеме определяют величину сдвига ПСП принятого сигнала относительно ПСП ранее принятого сигнала, величину сдвига преобразуют в цифровые данные принятой информации.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ПСП сдвигается циклически.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что величина сдвига ПСП определяется по смещению максимумов функций взаимной корреляции ПСП принятого сигнала и ПСП приемника.
