Способ формирования наборов ортогональных псевдослучайных последовательностей с использованием свойств фрактальных отображений

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к методам формирования наборов ортогональных псевдослучайных кодовых последовательностей, применяемых в радиолокационных, радионавигационных и связных системах, которые используют псевдошумовые фазоманипулированные сигналы и кодовое разделение каналов доступа. При формировании набора ПСП исходную ПСП, состоящую из N_псп символов, однократно записывают во входной регистр рекуррентного генератора, причем для формирования периодической выходной ПСП перемежение символов исходной ПСП осуществляют циклически по N_max тактов в каждом цикле в соответствии с законом фрактального отображения с хаотичной динамикой. Для этого на каждом i-м такте перемежения считывают из входного регистра n_i символ входной ПСП и записывают его как i-й символ выходной ПСП, а номер п_i символа исходной ПСП, подлежащего перемежению, вычисляют по рекуррентному правилу n_i=f(n₀, k, n_i-1), i=1…N_max, причем структуру выходной ПСП определяют через величину начальной установки устройства перемежения n₀ и через величину целочисленного множителя k=1, 2, 3… постоянных на всем интервале перемежения, и формирование Nmax символов выходной ПСП циклически повторяют для формирования непрерывной ПСП перемежения. Технический результат - повышение структурной скрытности формируемых ПСП, уменьшение уровня боковых лепестков ВКФ ПСП одного набора. 3 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к методам формирования наборов ортогональных псевдослучайных кодовых последовательностей, применяемых в радиолокационных, радионавигационных системах и системах связи, которые используют псевдошумовые фазоманипулированные сигналы и кодовое разделение каналов доступа.

Существующие способы формирования наборов ортогональных псевдослучайных кодовых последовательностей (ПСП) (см. Л.Е.Варакин. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985) хорошо отработаны и широко используются в настоящее время. Синтезированные ПСП применяются для формирования фазоманипулированных сигналов в современных радиолокационных, радионавигационных системах и системах связи.

Наиболее близким по своей сущности к заявляемому изобретению (прототипом) следует считать способ формирования ортогональных ПСП на основе М-последовательностей с использованием линейного генератора (см. Л.Е.Варакин. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985, стр.60), заключающийся в том, что для их синтеза используется один или несколько рекуррентных генераторов на основе регистров сдвига с обратными связями (фиг.1).

Последовательность операций при реализации способа - прототипа следующая:

1. Для синтеза М-последовательностей используют рекуррентные генераторы на основе регистров сдвига (фиг.1). Длина формируемой М-последовательности равна 2^N-1, где N - число разрядов регистра сдвига генератора;

2. Для формирования отличающихся по структуре М-последовательностей выходы регистра объединяют в соответствии с правилом, определяемым записью образующего полинома кодовой последовательности;

3. В регистр сдвига генератора загружают последовательность, состоящую из N символов, определяющую начальную фазу генерируемого кода;

4. Далее на каждом такте суммируют сигналы соответствующих выводов регистра сдвига по модулю 2 (mod2), а результат подают на вход регистра сдвига генератора.

5. С одного из выходов регистра сдвига снимают сформированную ПСП.

Различные варианты объединения выходов регистра сдвига генератора в цепи обратной связи позволяют сформировать некоторый набор ортогональных кодовых последовательностей.

Кроме М-последовательностей в радиотехнических системах находят применение последовательности Уолша, коды Голда и составные кодовые последовательности, представляющие собой комбинации М-последовательностей. Наиболее известными и применяемыми из составных последовательностей являются кодовые последовательности Голда.

Кодовые последовательности Голда формируются с помощью объединения выходов двух рекуррентных генераторов М-последовательностей и обладают по отношению к последним двумя достоинствами (см. Л.Е.Варакин. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985, стр.119).

Во-первых, генератор кодовых последовательностей, построенный на основе двух регистров сдвига длиной N каждый, может генерировать кроме двух исходных М-последовательностей еще N последовательностей длиной 2^N-1, за счет чего значительно расширяется число синтезируемых кодовых последовательностей в наборе (ансамбле).

Во-вторых, коды Голда могут быть подобраны так, что взаимно-корреляционная функция (ВКФ) для всех кодовых последовательностей генератора будет одинаковой, а величина ее боковых лепестков при этом будет ограничена. Для М-последовательностей данный факт можно гарантировать только для последовательностей, синтезированных с использованием неприводимых полиномов, число которых ограничено, а их структуры хорошо известны (см. Л.Е.Варакин. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985, стр.59).

Несмотря на то что описанный выше способ - прототип генерации ПСП широко используется на практике, ему присущи следующие недостатки:

1. Количество М-последовательностей максимальной длины - ограничено и не достаточно для практики;

2. Уровень боковых лепестков ВКФ кодов Голда остается достаточно высоким, что ведет к снижению отношения сигнал/шум и, следовательно, к ограничению чувствительности радиоприемных устройств в системах с кодовым разделением каналов доступа и поэтому не отвечает современным требованиям;

3. Изменение структуры синтезируемой ПСП требует внесение изменений в структуру самого генератора (потребуется изменение структуры обратных связей);

4. Сформированные при помощи линейного генератора ПСП не обеспечивают на достаточном уровне структурную скрытность сигнала;

5. Количество символов формируемой ПСП ограничено и определяется разрядностью регистра сдвига генератора.

Целью изобретения является повышение структурной скрытности формируемых ПСП, уменьшение уровня боковых лепестков ВКФ ПСП одного набора, увеличение количества периодических ПСП в наборе, синтезируемых с использованием одного генератора, а также возможность изменения количества символов ПСП без изменения структуры генератора.

Суть способа проиллюстрирована на фиг.2. В отличие от прототипа, способ реализуется использованием устройства посимвольного перемежения (перестановки) символов ПСП в структуре генератора.

При реализации способа выполняют следующую последовательность операций:

1. Однократно записывают во входной регистр генератора исходную ПСП из памяти или непосредственно с выхода внешнего линейного генератора. Длина исходной ПСП равна N_ПСП символов и ограничена разрядностью входного регистра;

2. Настраивают параметры устройства перемежения символов: вводят начальное состояние n₀ устройства перемежения, значение множителя k и количество шагов перемежения N_max;

3. Выполняют перемежение символов исходной ПСП в соответствии с законом фрактального отображения, обладающего хаотичной динамикой n_i=f(n₀, k, n_i-1),i=1…N_max: перемежение выполняют так, что на каждом i-м такте перемежения считывают из входного регистра n_i-й символ входной ПСП и записывают его как i-й символ выходной псевдослучайной последовательности, а номер символа входной ПСП n_i, подлежащего перемежению на i-м такте, вычисляют в соответствии с рекуррентным правилом , i=1…N_max. Операция взятия модуля modN_ПСП по значению числа символов в исходной ПСП обеспечивает корректность вычисления номера n_i при всех значениях i, а количество символов в выходной последовательности равно при этом N_max. Целое число k=1, 2, 3… (множитель для i) - фиксированная константа на всем интервале формирования ПСП, изменение которой приводит к изменению структуры выходной ПСП. Значение n₀ определяет начальное смещение номера символа исходной ПСП, с которого начинается перемежение;

4. Перемежение осуществляют циклически по N_max тактов в каждом цикле;

5. Подают символы синтезируемой таким образом ПСП после каждого такта перемежения на выход генератора. Величина N_max определяет количество символов в периоде выходной ПСП. Количество циклов перемежения N_П определяет длительность генерируемого сигнала;

6. Для перехода к формированию другой ПСП ансамбля изменяют значение параметра начальной установки устройства перемежения - n₀ или значение целочисленного множителя k.

Предлагаемый способ синтеза наборов ортогональных ПСП свободен от недостатков прототипа и обеспечивает получение следующих преимуществ:

1. Способ обеспечивает универсальность структуры генератора ПСП;

2. Обеспечивает возможность формирования периодических ПСП с переменным числом символов в периоде, в зависимости от заданного значения N_max;

3. Позволяет из более короткой исходной ПСП сформировать более длинную;

4. Количество синтезируемых ПСП при помощи данного способа много больше количества символов N_ПСП исходной ПСП.

5. Повышается структурная скрытность формируемых ПСП вследствие используемого алгоритма перемежения на основе фрактального отображения, обеспечивающего хаотичную динамику изменения порядкового номера символа исходной псевдослучайной последовательности, подлежащего перемежению.

6. Структурная скрытность повышается также за счет возможности оперативной смены исходной ПСП во входном регистре генератора.

Схема устройства, реализующего предлагаемый способ формирования наборов ортогональных псевдослучайных последовательностей с использованием свойств фрактальных отображений, представлена на фиг.3.

На фиг.3 введены следующие обозначения:

1 - Входной регистр для исходной ПСП, выполняющий роль входного буфера;

2 - Мультиплексор;

3 - Блок формирования адреса для мультиплексора;

4 - Блок управления и ввода параметров настройки;

5 - Управляемый генератор тактовой частоты (УГТЧ).

Порядок функционирования устройства следующий:

1. Во входной регистр (1) записывают исходную ПСП, состоящую из N_ПСП символов;

2. В блок управления и ввода параметров настройки (4) записывают параметры настройки перемежителя символов исходной ПСП (N_max, n₀ и k) и параметры, определяющие значение тактовой частоты выходной ПСП;

3. При помощи блока управления и ввода параметров настройки (4) запускают управляемый генератор тактовой частоты (УГТЧ) (5);

4. Выставляют на выходе УГТЧ (5) заданное значение тактовой частоты, которую подают на синхро-вход мультиплексора (2);

5. При поступлении импульса тактовой частоты от УГТЧ, в блоке управления (4) запускают процедуру формирования номера символа исходной ПСП, подлежащего перемежению в зависимости от порядкового номера импульса тактовой частоты УГТЧ (5);

6. Формируют значения номеров символов исходной ПСП - n_i, подлежащих перемежению на i-м такте, в соответствии с рекуррентным законом отображения, обладающего свойством хаотичной динамики , i=1…N_max. Целое число k=1, 2, 3… (множитель для i) - фиксированная константа на всем интервале формирования ПСП, изменение которой приводит к изменению структуры выходной ПСП. Значение n₀ определяет начальное смещение номера символа исходной ПСП, с которого начинается перемежение. Операция взятия модуля modN_ПСП по значению числа символов в исходной ПСП обеспечивает корректность вычисления номера n_i при всех значениях i, а количество символов в выходной последовательности равно N_max. Сформированные значения номеров символов исходной ПСП n_i, i=1…N_max, подлежащих перемежению, подают на вход блока формирования адреса (3), выполняющего функцию дешифратора для мультиплексора (2);

7. Осуществляют выборку символа исходной ПСП по вычисленному адресу при помощи мультиплексора (2) синхронно с поступлением импульса тактовой частоты, выполняя тем самым перемежение символов исходной ПСП;

8. Подают символы, подвергшиеся перемежению, на выход;

9. После формирования, таким образом, N_max символов выходной ПСП (одного периода), при необходимости циклически повторяют п.п.5-9 для формирования непрерывной периодической псевдослучайной кодовой последовательности;

10. Для перехода к формированию ПСП другой структуры, изменяют значение k, n₀ и повторяют п.п.1-10;

11. Для изменения длительности периода формируемых ПСП, изменяют значение N_max и повторяют п.п.1-10.

В таблице 1 приведен пример работы алгоритма перемежения при следующих исходных данных: N_ПСП=12, N_max=12, n₀=1, k=1. Из таблицы видно, что для выбранного рекуррентного закона отображения , i=1…N_max, обладающего свойством хаотичной динамики, не все символы исходной ПСП при заданных значениях n₀ и k могут участвовать в формировании выходной кодовой последовательности.

Таблица 1
Пример работы устройства перемежения при NПСП=12; Nmax=12; Значение n0=1, k=1;
* Номера символов исходной ПСП пронумерованы от 0 до NПСП-1
№ такта Перемежения i	Значение ni-1	Значение	Значение	№ выбираемого символа исходной ПСП ni
1.	0	2	2	2
2.	2	7	7	7
3.	7	53	5	5
4.	5	30	6	6
5.	6	42	6	6
6.	6	43	7	7
7.	7	57	9	9
8.	9	90	6	6
9.	6	46	10	10
10.	10	111	3	3
11.	3	21	9	9
12.	9	94	10	10

Предлагаемый способ и устройство, его реализующее, обладают указанными выше преимуществами исходя из следующего:

1. Универсальность способа подтверждается предложенной структурой генератора (фиг.3), сохраняющего свою структуру при переходе к формированию новой ПСП;

2. Повышается структурная скрытность формируемых ПСП и сложных сигналов на их основе вследствие использования изменяющегося алгоритма перемежения и возможности изменения параметров алгоритма перемежения, а также структуры исходной ПСП, загружаемой во входной регистр (1);

3. Структурная скрытность формируемых ПСП гарантируется также наличием хаотичной динамики используемого алгоритма перемежения;

4. Изменение параметра (n₀=n₀+1) в алгоритме перемежения приводит к формированию новой ПСП ансамбля;

5. Изменение значения N_max, определяющего глубину перемежения, обеспечивает формирование ПСП различной длины, причем N_max может принимать любое значение в т.ч. N_max>N_ПСП. За счет этого обеспечивается возможность формирования набора (ансамбля) ПСП различной длины.

Таким образом, достигается цель предлагаемого изобретения.

Способ формирования наборов псевдослучайных последовательностей (ПСП), заключающийся в том, что исходную ПСП, состоящую из N_псп символов, однократно записывают во входной регистр рекуррентного генератора, отличающийся тем, что для формирования периодической выходной ПСП перемежение символов исходной ПСП осуществляют циклически по N_max тактов в каждом цикле в соответствии с законом фрактального отображения с хаотичной динамикой,
для этого на каждом i-м такте перемежения считывают из входного регистра n_i символ входной ПСП и записывают его как i-й символ выходной ПСП,
номер n_i символа исходной ПСП, подлежащего перемежению, вычисляют по рекуррентному правилу n_i=f(n₀, k, n_i-1), i=1…N_max, в частности i=1…N_max, причем структуру выходной ПСП определяют через величину начальной установки устройства перемежения n₀ и через величину целочисленного множителя k=1, 2, 3… постоянных на всем интервале перемежения,
формирование N_max символов выходной ПСП циклически повторяют для формирования непрерывной ПСП,
при формировании другой ПСП из набора ПСП изменяют значение параметра начальной установки устройства перемежения n₀ и(или) множителя k, а для изменения длины выходной ПСП изменяют величину N_max, определяющую количество тактов перемежения.