Способ передачи данных в распределенных системах передачи данных и устройство его реализации
Владельцы патента RU 2385539:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к области техники, в которой используется передача данных по любым каналам связи (проводным и беспроводным), аналогово-цифровое и цифроаналоговое преобразование, и шифрование передаваемой информации, и может быть использовано как дополнительное устройство, увеличивающее пропускную способность канала связи. Технический результат заключается в возможности увеличить пропускную способность канала передачи данных за счет оптимизации использования амплитудной информации при кодировании сигнала. Способ реализуется с помощью устройства, состоящего из последовательно включенных модулей аналого-цифрового преобразователя, генератора ключей полиномов и синтезатора сигналов на основе генератора синусоидальных импульсов, причем аналогово-цифровой преобразователь осуществляет выбор системы счисления на основе числа битовых ошибок в калибровочном сигнале. 2 н.п. ф-лы, 9 ил.
Изобретение относится к области техники, в которой используется передача данных по любым каналам связи (проводным и беспроводным), аналогово-цифровое и цифроаналоговое преобразование, и шифрование передаваемой информации, и может быть использовано как дополнительное устройство, увеличивающее пропускную способность канала связи.
Наиболее близкими прототипами являются устройства беспроводной связи на основе протокола WLan 802.11а (патент США 7162270, патент США 7181258 от 20 февраля 2007 года). Наиболее функционально близким является устройство, описанное в патенте №7181258, которое использует частотный диапазон 2.4-2.5 ГГц и созвездие Кама в качестве сигнально-кодовой конструкции. Устройство и способ его функционирования решают следующие задачи:
- предоставление возможности создания беспроводных сетей, систем управления контроля;
- автоматическую подстройку под уровень помех в используемом канале.
Данный прототип обладает рядом недостатков, которые делают невозможным использование этой технологии в распределенных системах реального времени:
- при изменении фоновых шумов в канале связи, в устройстве происходит переключение от одной модели представления данных к другой. Данные модели рассчитаны заранее и не могут быть синтезированы в процессе работы устройства, что приводит к нерациональному использованию ресурсов канала;
при переключении режимов работы, характеризующих уровень фоновых помех из-за задержки статистического анализатора тренировочного сигнала, появляется пакет данных (группа пакетов данных), с большим числом ошибок, что недопустимо при построении распределенных систем реального времени.
Технический результат заключается в возможности увеличить пропускную способность канала передачи данных за счет оптимизации использования амплитудной информации при кодировании сигнала.
Технический результат достигается тем, что в способе построения распределенных систем передачи данных, заключающемся в приеме калибровочного сигнала от общего источника и анализа числа битовых ошибок, на основе числа этих ошибок выбирается система счисления, наиболее подходящая для оцифровки полезного сигнала, зная порог логического нуля и единицы, выполняется квантование амплитуды и оцифровка полезного сигнала в выбранной системе счисления, ставя в соответствие каждому биту информации определенный амплитудный порог, полученная последовательность бит интерполируется с помощью любых полиномов известных видов, после интерполяции осуществляется синтез ключей-полиномов, далее с помощью них проводят шифрование обработанного сигнала, который представляет собой набор коэффициентов шифрующего полинома, которые передаются по любому доступному каналу связи, а для восстановления исходного сигнала достаточно иметь один ключ-полином.
Предлагаемый способ построения распределенных систем передачи данных лишен этих недостатков, так как используемые сигнально-кодовые конструкции сведены к системе робастного управления, которая может представлять собой автомат с динамическим числом состояний.
Изложенный способ применим к классу композиционных устройств приема/передачи данных, используемых для защищенных мобильных систем навигации, сопровождения и управления.
Предлагаемый способ может быть представлен несколькими этапами:
1) сбор информации о состоянии канала;
2) выбор наиболее подходящего алфавита амплитудного АЦП;
3) шифрование сигнала после преобразования в АЦП;
4) передача данных после конечной обработки.
Способ обработки данных на каждом этапе определяется динамически, исходя из характеристик используемого канала связи, и может быть реализован как отдельное устройство.
Применяемый способ построения системы передачи данных позволил повысить эффективность использования канала, обеспечив более высокую пропускную способность и уменьшить число ошибок при изменяющимся уровне помех в канале. Таким образом, был достигнут требуемый технический результат.
Технический результат достигается также тем, что устройство, реализующее данный способ, состоит из последовательно включенных модулей аналого-цифрового преобразователя, генератора ключей полиномов и синтезатора сигналов на основе генератора синусоидальных импульсов, причем аналогово-цифровой преобразователь осуществляет выбор системы счисления на основе числа битовых ошибок в калибровочном сигнале.
На фиг.1 представлен стандартный двоичный сигнал; на фиг.2 - получаемый двоичный сигнал; на фиг.3 - схема экспериментального образца; на фиг.4 - схематический вид сигнала в каждом блоке; на фиг.5 - общая схема взаимодействия модулей устройства; на фиг.6 - АЦП с параллельной калибровкой; на фиг.7 - схема модуля шифрования; на фиг.8 - модуль передачи данных; на фиг.9 - таблица. Перечень параметров алгоритма.
Предлагаемый способ применим либо в малошумящих каналах, либо в защищенных от помех кабельных системах. При его применении можно учитывать динамический (не Гауссовский) уровень шума в различных частях спектра.
Все передающие устройства делятся на две категории: аналоговые и цифровые. Так как абсолютно все из существующих цифровых вычислительных машин работают в двоичной системе исчисления (т.е. в области стандартной Булевской логики, где существует только два устойчивых состояния "1" и "0"), то и цифровые приемо-передающие устройства также являются двоичными.
При использовании алгоритмов пакетной передачи данных с фиксированной длиной, какой-либо выигрыш в пропускной способности канала всегда сводился к применению новых алгоритмов сжатия информации. Однако увеличение количества передаваемой информации за единицу времени может быть достигнуто также и перемежением с одного алфавита передаваемых сообщений (в нашем случае - двоичного), на алфавит с более широкой базой (основанием системы исчисления). Эффект увеличения пропускной способности достигается за счет того, что во время преобразования передаваемого сообщения из одного алфавита в другой, происходит фактическое уменьшение числа разрядов, а следовательно, за один и тот же абстрактный промежуток времени может быть передано больше информации.
Пример
Пусть задан стандартный алфавит передачи сигнала А={0,1} и расширенный В={0,1,2}; t - временной интервал, в течение которого передается один из элементарных импульсов. Пусть число 7(10) - полезная информация, которую необходимо передать от источника к получателю.
При использовании стандартного алфавита А имеем: 7(10)=111(2), т.е. имеем число, состоящее из трех разрядов, а значит на его передачу уходит 3t отрезков времени (как показано на фиг.1).
При переходе на алфавит В имеем: 7(10)=21(3), т.е. имеем число, состоящее из двух разрядов, а значит на его передачу уходит 2t временных промежутков (фиг.2).
Таким образом, был получен выигрыш во времени, при передаче того же самого сообщения в алфавите В, а значит увеличена пропускная способность канала.
Так как увеличение количества передаваемых данных происходит за счет амплитудной информации, то с увеличением разрядности, происходит увеличение чувствительности приемо-передающей системы к шумам.
При применении данного алгоритма в помехозащищенных кабельных системах, можно использовать любую аппаратно-допустимую разрядность, однако при построении АЦП для радиоустройств на этом алгоритме, для выбора разрядности кодирования необходимо учитывать число ошибок в канале [4].
Таким образом, уже на стадии аналогово-цифрового преобразования возможно увеличение пропускной способности канала без использования каких-либо методов компрессии.
В качестве синтезатора элементарных сигналов выступает цифровой генератор синусоидальных колебаний, каждый такт работы которого соответствует одному полупериоду синусоиды. Схема такого генератора приведена на фиг. 3. Ниже предложен экспериментальный образец. Генератор тактовых импульсов (ГТИ) 1 - обеспечивает формирование управляющих импульсов заданной частоты, обеспечивающей требуемую частоту синуса на выходе;
счетчик 2 формирует текущий адрес для выбора данных из памяти;
ПЗУ 3 выдает текущее значение уровня сигнала на выходе;
цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 4 преобразует цифровое значение уровня сигнала в аналоговый уровень сигнала;
БУ 5 - обеспечивает необходимую амплитуду сигнала на выходе.
Схематически вид сигнала в каждом блоке приведен на фиг.4.
ГТИ 1 формирует опорные импульсы с частотой, прямо пропорциональной выходной частоте синуса. Синхронизирующие импульсы с частотой fT поступает на счетчик 2, на выходе которого формируется n-разрядный адрес микросхемы памяти - число X. Значение адреса изменяется в интервале от 0 до (2n-1) [3]. По числу Х на адресном входе ПЗУ 3 выбирает m-разрядное число У, являющееся значением выборки сигнала - амплитуды синуса. Цифроаналоговый преобразователь 4 преобразует код числа в аналоговый сигнал [2]. Блок управления 5 обеспечивает необходимую амплитуду сигнала на выходе.
В общем виде зависимость выходного напряжения UЦАП биполярного ЦАП от входного кода числа Х при опорном напряжении UОП выражается формулой
Максимальная частота генерируемых сигналов определяется по формуле
Общая погрешность аппроксимации синусоиды складывается из погрешности квантования сигнала по уровню, погрешности дискретизации сигнала по времени и погрешности линейности ЦАП.
Генерация ключей
Используемый в изобретении метод шифрования основан на генерации пар открытого и закрытого ключа, получаемых с помощью полиномов высокой степени.
Все операции, необходимые для синтеза ключей шифрования, осуществляются в кольце R «сокращенных» полиномов степени n-1, имеющих целые коэффициенты:
Суммирование полиномов происходит обычным способом.
Также, используется обычная операция умножения, за исключением того, что с членами полинома, степень которых выше N происходит ряд замен:
Для увеличения количества компонент полинома, в кольце R, в дополнение к номеру N, который определяет степень полиномов, могут быть добавлены линейные составляющие. Основные объекты алгоритма представлены в таблице на фиг.9.
Чтобы гарантировать безопасность, желательно, чтобы р и q не имели никаких общих делителей.
Как было упомянуто выше, аппаратная часть радиокомплекса состоит из трех частей: модуль АЦП 6, модуль шифрования 7 и модуль передачи данных 8.
Общая схема устройства представлена на фиг.5:
Основные модули, из которых состоит устройство, включены последовательно. Исходная продукция (сигнал, который подлежит передаче), проходит этап аналогово-цифрового преобразования в модуле 6, после этого, он проходит этап аппроксимации и шифрования с помощью ключей-полиномов в модуле 7. В модуле 8 осуществляется передача конечного продукта по радиоканалу.
Модуль АЦП
Модуль 6, осуществляющий аналогово-цифровое преобразование с калибровкой, изображен на фиг 6.
В основе механизма калибровки лежит приемник калибровочного сигнала 9, блок с записью эталонного калибровочного сигнала 10 и устройство сравнения сигналов 11, продуктом которого является величина, характеризующая отклонение принятого сигнала от эталонного. Под отклонением одного сигнала от другого понимается коэффициент битовых ошибок.
Устройство принятия решений 12 смонтировано на двух селекторах 13 и 14. Селектор 13 осуществляет инициализацию портов вывода оцифрованного сигнала, в то время как 14 задает такты таймера 15.
Таймер 15 (устройство Т1) является генератором синхронизирующих импульсов, на основе которых квантайзер 16 осуществляет квантование исходного аналогового сигнала. Так же на основе этих импульсов 16 принимает решение о выборе оптимального алфавита кодирования и преобразует сигнал в форму, изложенную выше. После выполнения этих действий, оцифрованный сигнал поступает на устройство асинхронного вывода 17, где его дальнейшая обработка осуществляется модулем шифрования 7.
Модуль шифрования
Структура этого модуля изображена на фиг.7.
Во время активизации радиокомплекса с помощью селектора 18 производится выбор разрядности ключей 19 и 20. Под разрядностью понимается длина шифрующих полиномов из кольца R. Далее, при поступлении кодированного сигнала с модуля АЦП 6 на устройство преобразования 21 происходит шифрование и аппроксимация кодированного сигнала с помощью подготовленных полиномов. После этого этапа актуальная информация (коэффициенты полиномов) поступают на устройство асинхронного вывода 22 и ее дальнейшая обработка осуществляется с помощью модуля передачи данных.
Модуль передачи данных
Структурная схема модуля передачи данных отражена на фиг.8.
В основе этого модуля лежит устройство генерирования синусоидальных колебаний (фиг.3). Зашифрованный сигнал подается на конвейер 23, а после - на синтезатор 24, где в зависимости от полученного числа и выбранного временного интервала для таймера 25 подбираются два коэффициента k1 26 и k2 27 (коэффициенты растяжения/сжатия сгенерированного фрагмента синусоиды вдоль оси абсцисс и ординат).
Таким образом, управление синтезом сигналов сводится к подбору коэффициентов k1 и k2 на основе информации о временном интервале устройства Т1, выбранной разрядности, уровне помех и числе, которое поступило с конвейера.
Литература
1. B.C.Яценков - Микроконтроллеры Microchip rfPIC.
2. Практика аналогового моделирования динамических схем (Тетельбаум И.М., Шнейдер Ю.Р.).
3. Микропроцессоры в вопросах и ответах (Вуд Алек).
4. Малогабаритный УКВ приемник (Воробьев Н.).
5. Отладка микропроцессорных систем (Уильямс Г.Б.).
6. Радиопередающие устройства (Шумилин М.С., Головин О.В., Севальнев В.П., Шевцов Э.А.).
7. Микропроцессоры (Шилейко А.В., Шилейко Т.И.).
8. Проектирование радиопередающих устройств (Шахгильдян В.В.).
9. Проектирование радиопередатчиков (Шахгильдян В.В.).
10. Проектирование радиоприемных устройств (Сивере А.П. и др.).
1. Способ передачи данных в распределенных системах передачи данных, заключающийся в приеме калибровочного сигнала от общего источника и анализа числа битовых ошибок, на основе числа этих ошибок выбирается система счисления, наиболее подходящая для оцифровки полезного сигнала, зная порог логического нуля и единицы, выполняется квантование амплитуды и оцифровка полезного сигнала в выбранной системе счисления, ставя в соответствие каждому биту информации определенный амплитудный порог, полученная последовательность бит интерполируется с помощью любых полиномов известных видов, после интерполяции осуществляется синтез ключей-полиномов, далее с помощью них проводят шифрование обработанного сигнала, который представляет собой набор коэффициентов шифрующего полинома, которые передаются по любому доступному каналу связи, а для восстановления исходного сигнала достаточно иметь один ключ-полином.
2. Устройство для передачи данных в распределенных системах передачи данных состоит из последовательно включенных модулей аналогово-цифрового преобразователя, генератора ключей полиномов и синтезатора сигналов на основе генератора синусоидальных импульсов, причем аналогово-цифровой преобразователь осуществляет выбор системы счисления на основе числа битовых ошибок в калибровочном сигнале.
