Цифровое устройство для передачи и защиты информации в сетях связи
Владельцы патента RU 2295195:
Государственное учреждение Научно-производственное объединение "Специальная техника и связь" МВД России (RU)
Изобретение относится к технике цифровой связи. Технический результат заключается в увеличении скорости передачи информации в канале связи. Устройство содержит блок ввода информации, объединенные в микропроцессорный комплект формирователь тактовых синхроимпульсов, блоки кодирования входной информации, выбора модуляционных сигналов, формирования управляющих сигналов, выбора начальных фаз и выбора частоты модуляционных сигналов, многоканальный генератор цифровых импульсов, блоки модуляции, выполненные в виде цифрового многоканального генератора ортогональных сигналов парциальных частот, мультиплексор, сумматор, квазиоптимальный по быстродействию цифровой согласованный БИХ-фильтр, два блока задержки, блок сброса, цифроаналоговый преобразователь, усилитель и блок согласования с каналом связи с соответствующими связями между ними. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к технологии и технике связи.
Известны, например, устройства для одновременного использования каналов связи при передаче аудиоинформации и передаче телемеханической информации, например в электрических каналах связи [1. "Теоретические основы информационной техники" Ф.Е.Темников, В.А.Афонин, В.И.Дмитриев. - М.: Энергия, 1979, с.315-330].
Необходимость в формировании одновременно существующих нескольких гармонических колебаний разных частот, связанных внутренней когерентностью с фазой колебаний общего опорного источника, возникает, например, при создании систем связи на основе сверхширокополосных сигналов, при ретрансляции нескольких частотных полос и т.д. [2. "Синтезаторы частот и сигналов" Л.А.Белов. - М.: САЙНС-ПРЕСС, 2002 г., с.70-71]. Однако одновременное усиление нескольких квазигармонических колебаний может приводить к перекрестным искажениям из-за возникновения пиковых мгновенных значений. В зависимости от выбора значений канальных частот и их начальных фаз в суммарном сигнале могут возникнуть периодические изменения огибающей, даже если канальные сигналы не имеют амплитудной модуляции. В цифровых каналах связи, в том числе и радиоканалах, широко используется корреляционный способ разделения. Так, например, в цифровых устройствах с частотным и фазовым разделением используется носитель с функциями COS kwt и SIN kwt.
Наиболее близким к предлагаемому решением является устройство [3. Патент РФ 2132593 "Многоканальное устройство для передачи речевых сигналов", Н 04 В 3/00, H 04 J 3/00, 13.05.98], содержащее блок ввода информации, формирователь тактовых синхроимпульсов, блок выбора модуляционных сигналов, формирователь управляющих сигналов, блоки модуляции, сумматор, первый и второй блоки задержки, блок сброса, причем первый выход первого блока задержки соединен с входом второго блока задержки, а второй выход с входом блока сброса, усилитель и блок согласования с каналом связи. Количество блоков модуляции и количество усилителей в нем равно количеству каналов.
К недостаткам этого устройства относится низкая помехоустойчивость к внешним помехам в канале связи, и особенно к межсимвольным помехам. Это приводит к нерациональному использованию частотного диапазона тональных сигналов коммутируемого канала связи, который может быть гибридным, например, радиоудлинитель плюс телефонная сеть общего пользования. Многочастотный широкополосный сигнал, проходя по коммутируемым аналоговым каналам связи, искажается, так как различные частотные составляющие запаздывают на разное время, зависящее от параметров коммутируемого канала связи и частоты исследуемого сигнала. Техническая реализация осложняется высоким уровнем шумов с неопределенным законом распределения и нестационарностью параметров каналов передачи информации в технологии и технике связи. Поэтому для передачи и помехоустойчивого приема и защиты информации в тональном диапазоне частот в реальном масштабе времени необходимо применять оптимальные по помехоустойчивости адаптивные цифровые фильтры.
Настоящее изобретение направлено на увеличение скорости передачи информации в канале связи в тональном диапазоне частот применением многочастотных ортогональных сигналов парциальных частот с уменьшенным пик-фактором. Технический результат, достигаемый при решении этой задачи, состоит в оптимальном использовании коммутируемого канала связи на физическом уровне.
Это достигается тем, что в известное устройство, содержащее блок ввода информации, формирователь тактовых синхроимпульсов, блок выбора модуляционных сигналов, формирователь управляющих сигналов, блоки модуляции, сумматор, первый и второй блоки задержки, блок сброса, причем первый выход первого блока задержки соединен с входом второго блока задержки, а второй выход с входом блока сброса, усилитель и блок согласования с каналом связи, введены блоки кодирования входной информации, выбора начальных фаз и выбора частоты модуляционных сигналов, многоканальный генератор цифровых импульсов, мультиплексор, квазиоптимальный по быстродействию цифровой согласованный БИХ-фильтр и цифроаналоговый преобразователь, блоки модуляции выполнены в виде цифрового многоканального генератора ортогональных сигналов парциальных частот, а формирователь тактовых синхроимпульсов, блок кодирования входной информации, блок выбора модуляционных сигналов, блок формирования управляющих сигналов, блок выбора начальных фаз и блок выбора частоты модуляционых сигналов объединены в микропроцессорный комплект, причем информационный вход блока кодирования входной информации соединен с выходом блока ввода информации, а выход с первым входом блока выбора модуляционных сигналов, первый выход которого соединен с блоком выбора начальных фаз, выход которого соединен с соответствующими входами многоканального генератора цифровых импульсов, а второй выход блока выбора модуляционных сигналов - с входом блока выбора частоты модуляционных сигналов, N выходов которого подключены к соответствующим управляющим входам цифрового многоканального генератора ортогональных сигналов парциальных частот, возбуждающие входы которого соединены с соответствующими N выходами многоканального генератора цифровых импульсов, a 2N выходов цифрового многоканального генератора ортогональных сигналов парциальных частот соединены с соответствующими входами сумматора через мультиплексор, выход сумматора соединен с информационным входом квазиоптимального по быстродействию согласованного цифрового БИХ-фильтра, выход которого через последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь, усилитель и блок согласования подключен к каналу связи, причем первый, второй и четвертый управляющие входы квазиоптимального по быстродействию согласованного цифрового БИХ-фильтра соединены через формирователь управляющих сигналов с соответствующими выходами блока выбора модуляционных сигналов, третий и пятый управляющие входы подключены к соответствующим выходам блока сброса, а входы синхронизации всех блоков и микропроцессорного комплекта подключены к соответствующим выходам формирователя тактовых синхроимпульсов. Предпочтительный вариант выполнения состоит также в том, что многоканальный генератор ортогональных сигналов парциальных частот содержит N адаптивных резонансных узкополосных цифровых фильтров, каждый из которых выполнен в виде последовательно соединенных в параллельном коде первого арифметического умножителя, первый вход которого подключен к соответствующему выходу многоканального генератора цифровых импульсов, арифметического сумматора-вычитателя и двух цифровых интеграторов, первый из которых состоит из последовательно соединенных второго арифметического умножителя и первого арифметического сумматора-накопителя, а второй цифровой интегратор - из последовательно соединенных третьего арифметического умножителя и второго арифметического сумматора-накопителя, причем выход второго цифрового интегратора соединен со вторым входом арифметического сумматора-вычитателя и одновременно является первым выходом фильтра, выход первого цифрового интегратора является вторым выходом фильтра, второй вход первого арифметического умножителя и объединенные вторые входы второго и третьего арифметических умножителей присоединены к соответствующим управляющим выходам блока выбора частоты модуляционных сигналов, а входы сброса цифровых интеграторов соединены с соответствующими выходами микропроцессорного комплекта. Предлагается также выполнить квазиоптимальный по быстродействию согласованный цифровой БИХ-фильтр содержащим последовательно соединенные в параллельном коде первый арифметический умножитель, первый вход которого является информационным входом фильтра, первый арифметический сумматор-вычитатель и два цифровых интегратора, первый из которых состоит из последовательно соединенных второго арифметического умножителя и первого арифметического сумматора-накопителя, а второй цифровой интегратор - из последовательно соединенных третьего арифметического умножителя и второго арифметического сумматора-накопителя, причем выход второго интегратора через первый вход второго арифметического сумматора-вычитателя соединен с вторым входом первого арифметического сумматора-вычитателя, а выход первого интегратора через буферный регистр соединен со вторым входом второго арифметического сумматора-вычитателя, второй вход первого арифметического умножителя является первым управляющим входом фильтра, вторые входы второго и третьего умножителей являются вторым управляющим входом фильтра, вторые управляющие входы первого и второго арифметических сумматоров-накопителей подключены к соответствующим выходам блока сброса, а выход буферного регистра одновременно является выходом фильтра и подключен к информационному входу цифроаналогового преобразователя.
На фиг.1 показана схема выполнения предлагаемого цифрового устройства для передачи и защиты информации в сетях связи;
фиг.2 - схема выполнения многоканального генератора ортогональных сигналов парциальных частот;
фиг.3 - схема выполнения квазиоптимального по быстродействию согласованного цифрового БИХ-фильтра.
Предлагаемое устройство (см. фиг.1) содержит блок ввода информации 1, объединенные в микропроцессорный комплект 2 формирователь тактовых синхроимпульсов 3, цифровой блок кодирования входной информации 4, блок выбора модуляционных сигналов 5, формирователь управляющих сигналов 6, блок выбора начальных фаз 7 и блок выбора частоты модуляционных сигналов 8, многоканальный генератор цифровых импульсов 9, цифровой многоканальный генератор ортогональных сигналов парциальных частот 10, мультиплексор 11 и арифметический сумматор 12, квазиоптимальный по быстродействию цифровой согласованный БИХ-фильтр 13, первый блок задержки 14 и второй блок задержки 15, блок сброса 16, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 17, усилитель 18 и блок согласования с каналом связи 19.
Предпочтительный вариант исполнения одного канала цифрового многоканального генератора ортогональных сигналов парциальных частот в виде адаптивного резонансного узкополосного цифрового фильтра представлен на фиг.2. Этот цифровой фильтр содержит первый арифметический умножитель 20, арифметический сумматор-вычитатель 21, первый цифровой интегратор 22 и второй цифровой интегратор 23, второй арифметический умножитель 24 и первый арифметический сумматор-накопитель 25, третий арифметический умножитель 26 и второй арифметический сумматор-накопитель 27.
Квазиоптимальный по быстродействию согласованный цифровой БИХ-фильтр (см. фиг.3) содержит первый арифметический умножитель 28, первый арифметический сумматор-вычитатель 29, первый цифровой интегратор 30 и второй цифровой интегратор 31, второй умножитель 32 и первый арифметический сумматор-накопитель 33, третий арифметический умножитель 34 и второй арифметический сумматор-накопитель 35, буферный регистр 36 и второй арифметический сумматор-вычитатель 37.
Цифровое устройство для передачи и защиты информации в сетях связи работает следующим образом. На фиг.1 приведена схема передатчика сигналов с время-импульсной модуляцией. Входная информация в цифровом виде (например, аудиоинформация или аналоговые сигналы телеметрических датчиков после аналого-цифрового преобразования (АЦП) в реальном масштабе времени, голосовая почта с буферной памятью, текстовая информация, записанная в цифровом виде и т.д.) через блок ввода информации 1 в параллельном коде поступает в микропроцессорный комплект 2. Синхронизацию ввода информации осуществляет прецизионный формирователь тактовых синхроимпульсов 3, первым выходом соединенный с управляющим входом цифрового блока кодирования входной информации 4, который в соответствии с кодовой таблицей символов входных данных и частотами сигналов в коммутируемом канале связи, например, в тональном диапазоне частот, осуществляет выбор варианта время-импульсной модуляции передатчика. Информационный выход цифрового блока кодирования входной информации 4 соединен с блоком выбора модуляционных сигналов 5, который первым и вторым информационными выходами в реальном масштабе времени управляет блоком выбора начальных фаз 7 и блоком выбора частоты модуляционных сигналов 8. Тактовая синхронизация этих блоков осуществляется формирователем управляющих сигналов 6, который подключен к прецизионному формирователю тактовых синхроимпульсов 3. Для повышения точности когерентного формирования многочастотных сигналов парциальных частот в тональном диапазоне частот необходимо использовать в формирователе управляющих сигналов делитель частоты (например, 100 МГц / 10 МГц / 1 МГц / 100 кГц / 10 кГц), причем нижний предел 10 кГц можно использовать для АЦП при вводе информации в реальном масштабе времени. Синтез многочастотных ортогональных сигналов парциальных частот выполняется с помощью многоканального генератора цифровых импульсов 9 и цифрового многоканального генератора ортогональных сигналов парциальных частот с более высокой частотой (например, на два порядка выше, 1 МГц). Это позволяет значительно повысить точность аппроксимации гармонических сигналов на выходе цифрового многоканального генератора ортогональных сигналов парциальных частот, который выполнен в виде N параллельно работающих адаптивных цифровых резонансных узкополосных фильтров (см. фиг.2). К основным достоинствам этого варианта синтеза ортогональных гармонических сигналов с помощью порождающей динамической системы, описываемой дифференциальным уравнением второго порядка, относятся:
- возможность адаптивно управлять в цифровой форме одназначно определенными параметрами «амплитуда», «фаза» и «частота»;
- минимальное число арифметических операций, которые необходимо выполнять на каждом такте синхронизации в конвейерном режиме цифровой обработки сигналов;
- быстродействие изменения и перестройки параметров, например частоты.
С целью передачи и приема многочастотных сигналов с уменьшенным пик-фактором следует выбирать номинальные значения частот Fn и шаг сетки d Fij таким образом, чтобы отношение любой из частот сетки к величине шага не было небольшим целым числом. Возможность использования неравномерной сетки частот упрощает решение этой задачи. Необходимо выбрать такое распределение начальных фаз по каналам, чтобы за период повторения [1/d Fij] никогда одновременно все векторы парциальных каналов не имели одинаковые угловые коэффициенты. В качестве начального приближения к оптимальному распределению можно выбрать квадратичную пропорциональность значений начальных фаз парциальным частотам каналов (огибающая ЛЧМ-сигнала с таким фазовым спектром постоянна). Начальные фазы с высокой степенью когерентности при нулевых начальных условиях обеспечивает многоканальный генератор цифровых импульсов 9 по каждой из N парциальных частот. Так, например, относительная погрешность установки номинальных значений частоты в соответствии с требованиями равномерно темперированного строя должна быть не более 10-3 в диапазоне частот порядка октавы. Количественной оценкой допустимой нестабильности частоты генератора ортогональных гармонических сигналов обычно называют величину паразитного отклонения частоты за время порядка 1 с (нижняя частота FH=1 Гц, верхняя частота FВ>1 МГц). В качестве примера можно привести синтезатор стабильной сетки частот на основе интегральной микросхемы ADF4113 фирмы Analog Devices, которая работает по однокольцевой схеме ФАПЧ с дробным делителем частоты с переменным коэффициентом деления (ДДПКД). Процесс перехода на другую частоту сетки занимает не более 200 мкс. Спектральная плотность фазовых шумов на выходе не более - 89 дБс/Гц, дискретные компоненты ПСС не более - 70 дБ. Предлагаемое устройство позволяет закончить переход на другую парциальную частоту практически за два такта формирователя тактовых синхроимпульсов 3 (например, 2×10-8 с). Погрешность установки начальных фаз (например, в диапазоне одной октавы от 2000 Гц до 4000 Гц) не превысит 0,01 градуса. Частотная модуляция помехоустойчива, поскольку искажению при передаче информации в канале связи и наличии индустриальных помех подвергается в основном амплитуда сигнала, а не частота. Необходимая для этого вида модуляции ширина спектра сигнала может быть значительно уже всей полосы пропускания канала связи.
Эффективная длительность генерируемых ортогональных гармонических сигналов на выходе цифрового многоканального генератора 10 прецизионно регулируется многоканальным генератором цифровых импульсов 9 и соответствующим управляющим сигналом с выхода формирователя управляющих сигналов 6. Непрерывно генерируемые 2N сигналов через мультиплексор 11 поступают на соответствующие входы арифметического сумматора 12. Суммарный многочастотный сигнал ограниченной длительности в параллельном коде с выхода арифметического сумматора 12 в реальном масштабе времени поступает на информационный вход квазиоптимального по быстродействию цифрового согласованного БИХ-фильтра 13, подробная схема технической реализации которого приведена на фиг.3. Этот цифровой БИХ-фильтр, адаптивно настраиваемый на полосу частот и управляемый соответствующими сигналами от блока выбора модуляционных сигналов 5 через формирователь управляющих сигналов 6, входящих в микропроцессорный комплект 2, производит оптимальную фильтрацию многочастотного сигнала перед подачей его на информационный вход ЦАП 17, причем дополнительное стробирование эффективной длительности кадра передачи информации осуществляют первый 14 и второй 15 блоки задержки, выходы которых через блок сброса 16 соединены с соответствующими управляющими входами цифрового согласованного БИХ-фильтра (см. фиг.3). Далее многочастотный сигнал через усилитель 18 и блок согласования с каналом связи 19 поступает в канал связи в виде ограниченного по длительности в реальном масштабе времени информационного кадра, который передается получателю информации и декодируется.
Важной характеристикой многочастотного сигнала является коэффициент его пик-фактора kp=Рмакс/Рср, где Рмакс - пиковая колебательная мощность, а Рср - средняя мощность суммарного колебания. Экспериментальная проверка макета предлагаемого цифрового устройства передачи информации при умеренных требованиях к быстродействию микропроцессорного комплекта показала уменьшение на порядок коэффициента пик-фактора при оптимальном начальном фазировании. Для сравнения можно привести известные результаты передачи и идентификации сигналов тонального набора (DTMF): 0, 1...9, *, #, А, В, С, D (так называемый код "2 из 6"); минимальная длительность генерации и адекватной идентификации отдельного тона составляет 32 мс. Предлагаемое устройство позволяет генерировать и соответственно идентифицировать на приемной стороне 10 отдельных тонов в одной октаве тонального диапазона частот за более короткий интервал времени, например 10 мс.
1. Цифровое устройство для передачи и защиты информации в сетях связи, содержащее блок ввода информации, формирователь тактовых синхроимпульсов, блок выбора модуляционных сигналов, формирователь управляющих сигналов, блоки модуляции, сумматор, первый и второй блоки задержки, блок сброса, причем первый выход первого блока задержки соединен с входом второго блока задержки, а второй выход - с входом блока сброса, усилитель и блок согласования - с каналом связи, отличающееся тем, что оно содержит блоки кодирования входной информации, выбора начальных фаз и выбора частоты модуляционных сигналов, многоканальный генератор цифровых импульсов, мультиплексор, квазиоптимальный по быстродействию цифровой согласованный БИХ-фильтр и цифроаналоговый преобразователь, блоки модуляции выполнены в виде цифрового многоканального генератора ортогональных сигналов парциальных частот, а формирователь тактовых синхроимпульсов, блок кодирования входной информации, блок выбора модуляционных сигналов, блок формирования управляющих сигналов, блок выбора начальных фаз и блок выбора частоты модуляционных сигналов объединены в микропроцессорный комплект, причем информационный вход блока кодирования входной информации соединен с выходом блока ввода информации, а выход - с первым входом блока выбора модуляционных сигналов, первый выход которого соединен с блоком выбора начальных фаз, выход которого соединен с соответствующими входами многоканального генератора цифровых импульсов, а второй выход блока выбора модуляционных сигналов - с входом блока выбора частоты модуляционных сигналов, N выходов которого подключены к соответствующим управляющим входам цифрового многоканального генератора ортогональных сигналов парциальных частот, возбуждающие входы которого соединены с соответствующими N выходами многоканального генератора цифровых импульсов, a 2N выходов цифрового многоканального генератора ортогональных сигналов парциальных частот соединены с соответствующими входами сумматора через мультиплексор, выход сумматора соединен с информационным входом квазиоптимального по быстродействию согласованного цифрового БИХ-фильтра, выход которого через последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь, усилитель и блок согласования подключен к каналу связи, причем первый, второй и четвертый управляющие входы квазиоптимального по быстродействию согласованного цифрового БИХ-фильтра соединены через формирователь управляющих сигналов с соответствующими выходами блока выбора модуляционных сигналов, третий и пятый управляющие входы подключены к соответствующим выходам блока сброса, а входы синхронизации всех блоков и микропроцессорного комплекта подключены к соответствующим выходам формирователя тактовых синхроимпульсов.
2. Цифровое устройство для передачи и защиты информации в сетях связи по п.1, отличающееся тем, что многоканальный генератор ортогональных сигналов парциальных частот содержит N адаптивных резонансных узкополосных цифровых фильтров, каждый из которых выполнен в виде последовательно соединенных в параллельном коде первого арифметического умножителя, первый вход которого подключен к соответствующему выходу многоканального генератора цифровых импульсов, арифметического сумматора-вычитателя и двух цифровых интеграторов, первый из которых состоит из последовательно соединенных второго арифметического умножителя и первого арифметического сумматора-накопителя, а второй цифровой интегратор - из последовательно соединенных третьего арифметического умножителя и второго арифметического сумматора-накопителя, причем выход второго цифрового интегратора соединен со вторым входом арифметического сумматора-вычитателя и одновременно является первым выходом фильтра, выход первого цифрового интегратора является вторым выходом фильтра, второй вход первого арифметического умножителя и объединенные вторые входы второго и третьего арифметических умножителей присоединены к соответствующим управляющим выходам блока выбора частоты модуляционных сигналов, а входы сброса цифровых интеграторов соединены с соответствующими выходами микропроцессорного комплекта.
3. Цифровое устройство для передачи и защиты информации в сетях связи по п.1, отличающееся тем, что квазиоптимальный по быстродействию согласованный цифровой БИХ-фильтр содержит последовательно соединенные в параллельном коде первый арифметический умножитель, первый вход которого является информационным входом фильтра, первый арифметический сумматор-вычитатель и два цифровых интегратора, первый из которых состоит из последовательно соединенных второго арифметического умножителя и первого арифметического сумматора-накопителя, а второй цифровой интегратор - из последовательно соединенных третьего арифметического умножителя и второго арифметического сумматора-накопителя, причем выход второго интегратора через первый вход второго арифметического сумматора-вычитателя соединен с вторым входом первого арифметического сумматора-вычитателя, а выход первого интегратора через буферный регистр соединен со вторым входом второго арифметического сумматора-вычитателя, второй вход первого арифметического умножителя является первым управляющим входом фильтра, вторые входы второго и третьего умножителей являются вторым управляющим входом фильтра, вторые управляющие входы первого и второго арифметических сумматоров-накопителей подключены к соответствующим выходам блока сброса, а выход буферного регистра одновременно является выходом фильтра и подключен к информационному входу цифроаналогового преобразователя.
