Способ формирования помехоустойчивых сигналов
Владельцы патента RU 2613923:
федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации (RU)
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для формирования помехоустойчивых сигналов. Технический результат - повышение помехоустойчивости радиосигнала в системах связи путем увеличения ширины полосы, занимаемой им частот. Способ формирования помехоустойчивых сигналов основан на формировании широкополосного сигнала, для которого используют расширение спектра методом псевдослучайной последовательности, которую модулируют вейвлет-функциями, при этом модуляция логических элементов «1» и «0» псевдослучайной последовательности осуществляется соответствующими вейвлет-функциями, отличающимися друг от друга порядком производной от функции Гаусса. 8 ил.
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для повышения помехоустойчивости радиосигналов (PC) в системах связи.
Известен способ формирования шумоподобных радиоимпульсов для передачи бинарных символов информации сложными сигналами [патент RU 2231924 C1 от 27.06.2004]. Изобретение относится к системам передачи информации и включает минимальную кодочастотную модуляцию несущей частоты путем суммирования модулированных по амплитуде и фазе колебания квадратурных каналов, модулирующие кодовые последовательности которых получают перекодировкой кодовой последовательности шумоподобных радиоимпульса, стробирование полученной суммы видеоимпульсом, равным длительности кодовой последовательности, формирование противоположного сигнала инверсией кода модулирующей кодовой последовательности одного из квадратурных каналов.
Недостатком данного способа является сложность его реализации, связанная с необходимостью формирования квадратурных каналов. Кроме того, в указанном способе применяется энергетически неоптимальная сигнально-кодовая конструкция, включающая амплитудно-фазовую модуляцию, что снижает эффект повышения помехоустойчивости.
Известен способ формирования и обработки сложного сигнала в помехозащищенных радиосистемах [патент RU 2205496 C1 от 27.05.2003]. Заявленное изобретение относится к области радиотехники и включает фазовую манипуляцию несущего колебания ПСП и сигналом информации, на приемной стороне - снятие ПСП с последующей демодуляцией в схеме Костаса, причем в качестве несущего колебания используется модифицированный полосовой шум.
Недостаток способа в том, что повышение скрытности передаваемого PC достигается за счет снижения помехоустойчивости приемника радиолинии.
Известен способ с повышенной помехозащищенностью и высокой скоростью передачи информации [патент RU 2334361 С2 от 15.05.2006].
Недостатком данного способа является сложность синхронизации, поскольку реализуемый в нем сигнал является сверхширокополосным импульсным сигналом. А в сверхширокополосных системах расширение спектра происходит за счет уменьшения длительности импульса вплоть до нескольких пикосекунд.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявленному является способ формирования помехоустойчивых сигналов [патент RU 2412551 C2 от 20.02.2011]. В способе-аналоге предварительно формируют биортогональные вейвлет-функции, затем задают числовую ПСП, которую модулируют двоичной фазовой манипуляцией, при этом "0" и "1" модулируют противоположными биортогональными вейвлет-функциями.
Недостатком наиболее близкого аналога является относительно низкая помехоустойчивость, связанная с недостаточным увеличением ширины полосы PC, модулированного биортогональной вейвлет-функцией, по сравнению с шириной полосы PC, модулированного двоичной фазовой манипуляцией.
Целью заявленного технического решения является разработка способа формирования помехоустойчивых PC, обеспечивающего повышение помехоустойчивости радиосигнала в системах связи путем увеличения ширины полосы, занимаемой им частот.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе формирования помехоустойчивых сигналов, основанном на формировании широкополосного сигнала, для которого используют расширение спектра методом ПСП, которую модулируют вейвлет-функциями, причем вейвлет-функции, которыми модулируют ПСП, представляют собой производные различных порядков от функции Гаусса.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе обеспечивается повышение помехоустойчивости сигналов за счет использования при модулировании ПСП вейвлет-функций различных порядков от функции Гаусса.
Кроме того, заявляемый способ позволяет добиться существенного увеличения ширины полосы модулированного сигнала за счет использования при модулировании ПСП вейвлет-функций различных порядков от функции Гаусса. Заявляемый способ модуляции позволяет также увеличить помехоустойчивость сигнала пропорционально увеличению ширины полосы, поскольку увеличивается база сигнала.
База сигнала - это произведение эффективного значения длительности сигнала и эффективного значения ширины его спектра [см. С.И. Баскаков. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: «Высшая школа», 2-е изд., 1988, 446 с.].
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:
на фиг. 1 - числовая бинарная ПСП 1010010100, сформированная с помощью генератора случайных чисел;
на фиг. 2 - временное представление сигнала, построенного на основе функции первой производной от функции Гаусса;
на фиг. 3 - временное представление сигнала, построенного на основе функции восьмой производной от функции Гаусса;
на фиг. 4 - спектральное представление сигналов (модули), сформированных на основе первой и восьмой производных от функции Гаусса;
на фиг. 5 - временное представление сигнала, сформированного путем модулирования числовой бинарной ПСП, представленной на фиг. 1, сигналами на основе первой и восьмой производных от функции Гаусса;
на фиг. 6 - временное представление сигнала, сформированного на основе сигналов биортогональной вейвлет-функции и ее противоположной копии;
на фиг. 7 - спектр сигнала (модуль), сформированного путем модулирования числовой бинарной ПСП, представленной на фиг. 1, сигналами на основе первой и восьмой производных от функции Гаусса;
на фиг. 8 - спектр сигнала (модуль), сформированного путем модулирования числовой бинарной ПСП, представленной на фиг. 1, сигналами на основе биортогональной вейвлет-функции и ее противоположной копии.
Реализация заявленного способа объясняется следующим образом.
п. 1. Предварительно задают числовую бинарную ПСП.
Числовая бинарная ПСП может задаваться, например, с помощью генератора случайных сигналов. Генераторы случайных сигналов известны и описаны, например, в патенте РФ №2168260 от 27.05.2001.
В качестве примера на фиг. 1 показана числовая бинарная ПСП 1010010100, сформированная с помощью генератора случайных чисел.
п. 2. Значения нулей и единиц модулируют предварительно сформированными вейвлет-функциями, которые представляют собой производные различных порядков от функции Гаусса.
Производные высоких порядков от функции Гаусса известны (см. Интернет: Тема 20. Свойства вейвлетов http://podelise.ru/docs/index-25329097.html, 22/07/2012). Каждая последующая производная повышает число осцилляций. При этом длительность самого вейвлета сохраняется, что позволяет обеспечить тактовую синхронизацию при обработке результирующих широкополосных сигналов.
В качестве примера, поясняющего технический результат расширения спектра, для модуляции ПСП выбраны модулирующие сигналы на основе первой и восьмой производных от функции Гаусса.
В заявляемом способе могут использоваться сигналы на основе вейвлет-функций, представляющих производные любых, т.е. различных, порядков от функции Гаусса. Если, например, логический «0» в ПСП модулируется вейвлет-функцией одного порядка, то логическая «1» должна модулироваться вейвлет-функцией другого порядка. Выбор порядка производной от функции Гаусса может быть любым, но различным для «0» и «1».
В качестве примера на фиг. 2 показано временное представление сигнала S1(t), построенного на основе функции первой производной от функции Гаусса, а на фиг. 3 - временное представление сигнала S0(t), построенного на основе функции восьмой производной от функции Гаусса.
Функции производных высоких порядков от функции Гаусса известны. Принцип их формирования описан, например, в [Н.М. Асафьев. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения // Успехи физических наук, т. 166, №11, 1996 г., с. 1152]. Формирование сигналов на основе вейвлет-функций, являющихся производными высоких порядков от функции Гаусса, известны, см., например, патент RU 2334361 C2 от 15.05.2006 и Интернет: Тема 20. Свойства вейвлетов http://podelise.ru/docs/index-25329097.html, 22/07/2012.
Использование для модулирования ПСП вейвлет-функций, являющихся производными высоких порядков от функции Гаусса, приводит к увеличению занимаемой сформированным сигналом полосы частот и тем самым позволяет увеличить его базу сигнала. В свою очередь увеличение базы сигнала приводит к повышению его помехоустойчивости. В качестве примера, на фиг. 4 показаны модули спектров сигналов: 
- сигнала, сформированного на основе первой производной функции Гаусса; 
- сигнала, сформированного на основе восьмой производной функции Гаусса.
п. 3. Модулируют значения нулей и единиц в ПСП вейвлет-функциями, являющимися производными высоких порядков от функции Гаусса.
Процедуры модуляции известны, например [см. патент RU 2412551 C2 от 20.02.2011].
В качестве примера, на фиг. 5 представлен сигнал Z(t), сформированный путем модулирования числовой бинарной ПСП вейвлет-функциями на основе производных различных порядков от функции Гаусса. Единицы модулируют S1(t) - сигналом на основе первой производной функции Гаусса, а нули модулируют S0(t) - сигналом на основе восьмой производной функции Гаусса.
Таким образом, повышение помехоустойчивости PC достигается в результате увеличения ширины полосы занимаемых им частот, при использовании в качестве модулирующих сигналов вейвлет-функциц, являющихся производными высоких порядков от функции Гаусса. Указанное увеличение ширины полосы занимаемых частот получено по отношению к сигналу V(t), сформированному путем модулирования числовой бинарной ПСП (см. фиг. 1) сигналами биортогональной вейвлет-функции и ее противоположной копии, используемыми для формирования помехоустойчивых сигналов в наиболее близком аналоге [патент RU 2412551 C2 от 20.02.2011] (см. фиг. 6).
На фиг. 7 показан 
- модуль спектра сигнала Z(t), сформированного путем модулирования числовой бинарной ПСП вейвлет-функциями на основе производных различных порядков от функции Гаусса. А на фиг. 8 показан 
- модуль спектра сигнала, сформированного путем модулирования числовой бинарной ПСП, представленной на фиг. 1, сигналами на основе биортогональной вейвлет-функции и ее противоположной копии.
Анализ полученных спектров показал, что в заявляемом способе увеличение ширины полосы широкополосного сигнала, модулированного вейвлет-функциями на основе производных различных порядков от функции Гаусса, по отношению к сигналу, модулированному сигналами на основе биортогональной вейвлет-функции, в 1,4 раза или в 4,9 раза по сравнению с шириной полосы сигнала, модулированного сигналами двоичной фазовой манипуляции. При этом увеличение помехоустойчивости полученного сигнала пропорционально увеличению ширины полосы [см. патент RU 2412551 C2 от 20.02.2011].
Таким образом, благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе при его использовании обеспечивается достижение указанного технического результата - повышение помехоустойчивости широкополосного сигнала за счет использования при модулировании ПСП вейвлет-функций на основе производных различных порядков от функции Гаусса.
Способ формирования помехоустойчивых сигналов, основанный на формировании широкополосного сигнала, для которого используют расширение спектра методом псевдослучайной последовательности, которую модулируют вейвлет-функциями, отличающийся тем, что модуляция логических элементов «1» и «0» псевдослучайной последовательности осуществляется соответствующими вейвлет-функциями, отличающимися друг от друга порядком производной от функции Гаусса.
