Способ передачи дискретных сигналов на основе частотной модуляции

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для применения в радиотехнических системах, в которых помехозащищенность определяется структурной скрытностью используемых в них радиосигналов. Техническим результатом заявляемого способа является повышение структурной скрытности спектрального представления формируемого результирующего сигнала. В предлагаемом способе дополнительно формируют низкочастотный фазоманипулированный сигнал, которым модулируют путем частотной модуляции с малым индексом рабочую частоту, на которой передают результирующий частотно-манипулированный сигнал. Причем длительность элемента случайной двоичной последовательности, значение частоты несущей и индекс частотной модуляции выбирают таким образом, чтобы результирующий частотно-манипулированный сигнал и сигнал частотной модуляции на рабочей частоте занимали одинаковую полосу частот; на приемной стороне вычитают из принимаемого комбинированного сигнала расширяющий сигнал, который формируют аналогичным образом как на передающей стороне, после чего производят дальнейшую обработку результирующего частотно-манипулированного сигнала. 6 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для применения в радиотехнических системах, в которых помехозащищенность определяется структурной скрытностью используемых в них радиосигналов.

Известен «Способ формирования шумоподобных радиоимпульсов для передачи бинарных символов информации сложными сигналами» (Патент РФ №2231924, МПК Н04В 1/69, опубл. 27.06.2004, Бюл. №18).

В известном способе осуществляют минимальную кодочастотну модуляцию несущей частоты путем суммирования модулированных по амплитуде и фазе колебаний квадратурных каналов, модулирующие кодовые последовательности которых получают перекодировкой кодовой последовательности шумоподобного радиоимпульса, после чего осуществляют стробирование полученной суммы видеоимпульсом, равным длительности кодовой последовательности, и формируют противоположный сигнал на основе инверсии кода модулирующей последовательности одного из квадратурных каналов.

Недостатком известного способа является относительно низкая структурная скрытность формируемого радиосигнала, поскольку спектральное представление однозначно определяет его структуру.

Известен «Способ формирования и обработки сложного сигнала в помехозащищенных радиосистемах» (Патент РФ №2205496, МПК Н03С 3/40, опубл. 27.05.2003, Бюл. №15).

В известном способе в качестве несущего колебания используют модифицированный полосовой шум, временные участки которого с амплитудой выше пороговой имеют равномерное распределение фазы в пределах относительно фазы опорного частотно-модулированного колебания, а участки с амплитудой ниже пороговой имеют распределение фазы, равномерное в пределах, причем обработку сложного сигнала производят схемой Костаса с отслеживанием введенной частотной модуляции несущей.

Недостатком известного способа является низкая структурная скрытность формируемого радиосигнала, вследствие того, что его спектральное представление однозначно определяет его структуру.

Наиболее близким по своей сущности к заявляемому техническому решению, является «Способ передачи информации по коротковолновому каналу связи с использованием частотно-манипулированных сигналов» (Патент РФ №2705357, МПК H04L 27/22, опубл.: 07.11.2019, Бюл. №31).

В способе-прототипе сигналы на поднесущих частотах принимают как независимые частотно-разнесенные амплитудно-манипулированные колебания. Производят оценку уровня сигнала на поднесущих частотах, излучение на которых зависит от значения передаваемого символа. Выносят решение о значении принимаемого символа, которое зависит от полученных оценок качества сигналов на поднесущих частотах. При этом предварительно выбирают код с постоянным весом для кодирования поднесущих частот таким образом, чтобы разрядность кода соответствовала числу доступных для передачи поднесущих частот. Затем разбивают битовый поток на информационные блоки в соответствии с числом доступных комбинаций кода, определяющих его алфавит, ставят в соответствие каждому информационному блоку свою уникальную комбинацию элементов кода с постоянным весом, которая определяет передаваемый символ. После чего формируют сигналы в виде амплитудно-манипулированных колебаний на длительности каждого передаваемого символа только на тех поднесущих частотах, которым соответствуют информационные единицы, определяемые комбинацией элементов кода с постоянным весом. Причем формируют результирующий частотно-манипулированный сигнал путем аддитивного сложения колебаний всех поднесущих частот и принимают результирующий частотно-манипулированный сигнал на поднесущих частотах как независимые частотно-разнесенные амплитудно-манипулированные колебания. При этом оценивают качество сигнала на поднесущих частотах путем сравнения рассчитанного среднего значения мощности его спектральных компонент в пределах каждой из поднесущих частот с рассчитанной величиной среднего значения мощности сигнала на длительности принятого символа на всех поднесущих частотах. А решение о передаче информационной единицы в пределах каждой из поднесущих частот принимают в случае, если рассчитанное среднее значение мощности спектральных компонент в пределах поднесущей частоты превышает рассчитанную величину среднего значения мощности на длительности принятого символа на всех поднесущих частотах. В противном случае принимают решение о передаче информационного нуля.

Недостатком известного способа-прототипа является низкая структурная скрытность формируемых на его основе радиоизлучений, поскольку спектральное представление четко определяет результирующий частотно-манипулированный сигнал как совокупность независимых частотно-разнесенных амплитудно-манипулированных колебаний на соответствующих поднесущих частотах.

Задачей изобретения является создание способа, позволяющего повысить структурная скрытность формируемого сигнала перестановочной модуляции.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение структурной скрытности спектрального представления формируемого результирующего сигнала.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе передачи дискретных сигналов на основе сигналов частотной модуляции, при котором выбирают код с постоянным весом для кодирования поднесущих формируемого радиосигнала таким образом, чтобы разрядность кода соответствовала числу доступных для передачи поднесущих, разбивают битовый поток на информационные блоки в соответствии с числом доступных комбинаций кода, определяющих его алфавит, ставят в соответствие каждому информационному блоку свою уникальную комбинацию элементов кода, формируют сигналы в виде амплитудно-манипулированных колебаний на длительности каждого передаваемого символа только на тех поднесущих, которым соответствуют информационные единицы, после чего формируют результирующий частотно-манипулированный сигнал путем аддитивного сложения сформированных сигналов на всех поднесущих частотах как независимые частотно-разнесенные амплитудно-нипулированные колебания. Согласно изобретению дополнительно на приемной и передающей сторонах формируют двоичную последовательность, на основе которой осуществляют фазовую манипуляцию низкочастотной несущей и формируют низкочастотный фазоманипулированный сигнал, далее формируют расширяющий сигнал путем частотной модуляции с малым индексом рабочей частоты, на которой передают результирующий частотно-манипулированный сигнал, сформированным низкочастотным фазоманипулированным сигналом, причем длительность элемента случайной двоичной последовательности, значение частоты несущей и индекс частотной модуляции выбирают таким образом, чтобы результирующий частотно-манипулированный сигнал и сигнал частотной модуляции на рабочей частот занимали одинаковую полосу частот, и на приемную сторону передают комбинированный сигнал, состоящий из расширяющего сигнала и результирующего частотно-манипулированного сигнала, а при приеме, первоначально вычитают из принимаемого комбинированного сигнала расширяющий сигнал, который формируют аналогичным образом как на передающей стороне, после чего производят дальнейшую обработку результирующего частотно-манипулированного сигнала.

Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявляемом способе повышение структурной скрытности спектрального представления формируемого сигнала осуществляется за счет его преобразования из дискретного в непрерывный сигнал с переменными параметрами.

Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:

фиг. 1 - частотно-временное представление результирующего сигнала;

фиг. 2 - спектральное представление результирующего сигнала;

фиг. 3 - временное представление двоичной последовательности;

фиг. 4 - временное представление низкочастотного фазоманипулированного сигнала;

фиг. 5 - спектральное представление комбинированного сигнала;

фиг. 6 - спектральное представление комбинированного сигнала.

Реализация заявляемого способа осуществляется следующим образом:

1. Выбирают код с постоянным весом для кодирования поднесущих формируемого радиосигнала таким образом, чтобы разрядность кода соответствовала числу доступных для передачи поднесущих.

2. Разбивают битовый поток на информационные блоки в соответствии с числом доступных комбинаций кода, определяющих его алфавит, ставят в соответствие каждому информационному блоку свою уникальную комбинацию элементов кода.

3. Формируют сигналы в виде амплитудно-манипулированных колебаний на длительности каждого передаваемого символа только на тех поднесущих, которым соответствуют информационные единицы.

4. Формируют результирующий частотно-манипулированный сигнал путем аддитивного сложения сформированных сигналов на всех поднесущих.

В качестве примера на фиг 1 показан принцип формирования результирующего частотно-манипулированный сигнала. В частности, на фиг. 1 показаны амплитудно-манипулированные колебания на частотах F1, F3, F6, из которых путем их аддитивного сложения формируется результирующий сигнал. На фиг. 2 показан спектр результирующего сигнала Uрез c(f), в котором на позициях частот F1, F3, F6, наблюдаются спектральные компоненты, определяющие его структуру.

Процедуры по п. 1 - п. 4 известны, поскольку идентичны аналогичным процедурам способа-прототипа.

5. Формируют двоичную последовательность.

В качестве примера, на фиг 3 показано временное представление двоичной последовательности Uп(t). В частности, на фиг. 3 показано восемь элементов двоичной последовательности, длительностью Т. Последовательность содержит пять информационных значений «1» и три информационных значений «0».

Процедура формирования двоичных последовательностей является известной и приведена, в частности, в (Патент РФ №2281603, МПК Н03K 3/84, опубл. 10.08.2006, Бюл. №22).

6. Осуществляют фазовую манипуляцию низкочастотной несущей и формируют низкочастотный фазоманипулированный сигнал.

В качестве примера, на фиг. 4 показано временное представление низкочастотного фазоманипулированного сигнала Uфм(t), у которого период низкочастотного колебания Т и длительность импульса двоичной последовательности Т совпадают.

Фазовая манипуляция несущей является известной процедурой и приведена, например, в (Д.Д. Кловский. Теория передачи сигналов. Учебник - М. 1973 г.). Отличительной особенностью данной процедуры является выбор низкого значения несущей частоты, при котором длительности элемента двоичной последовательности соответствует менее десяти периодов несущей.

Причем процедуры этапа 5 и 6 осуществляют как на передающей, так и приемной стороне радиолинии. При этом значения информационной последовательности, используемые как на приемной, так и на передающей стороне радиолинии, выбирают одинаковыми, т.е. идентичными друг другу.

7. Выбирают длительность элемента случайной двоичной последовательности, значение частоты несущей и индекс частотной модуляции выбирают таким образом, чтобы результирующий частотно-манипулированный сигнал и сигнал частотной модуляции на рабочей частоте занимали одинаковую полосу частот.

Операция выбора необходимого значения индекса частотной модуляции является известной и представлена, например, в (Д.Д. Кловский. Теория передачи сигналов. Учебник - М. 1973 г.).

Отличительной особенностью данной операции является взаимный учет параметров скорости двоичной последовательности и периода колебаний низкочастотной несущей при расчете значения индекса модуляции, для того, чтобы результирующий частотно-манипулированный сигнал частотной модуляции на рабочей частоте занимали одинаковую полосу частот.

8. Формируют расширяющий сигнал путем частотной модуляции с малым индексом рабочей частоты, на которой передают результирующий частотно-манипулированный сигнал, сформированным низкочастотным фазоманипулированным сигналом.

Указанную процедуру выполняют как на приемной, так и передающей стороне радиолинии.

В качестве примера, на фиг. 5 показан спектральное представление расширяющего сигнала Uчм(f).

Процедура частотной модуляции несущей является известной и приведена, в частности, в (Патент РФ №62310, МПК Н03С 3/10, опубл. 27.03.2007, Бюл. №9).

9. Формируют комбинированный сигнал, состоящий из расширяющего сигнала и результирующего частотно-манипулированного сигнала.

В качестве примера, на фиг. 6 представлено спектральное представление комбинированного сигнала Upc(f). Частотные позиции F1, F3, F6 соответствуют спектральным составляющим результирующего частотно-манипулированного сигнала.

Процедура формирования комбинированного сигнала осуществляется сложением частотно-манипулированного и расширяющего сигнала на рабочей частоте. Процедура сложения сигналов является известной и представлена, например, в (Патент РФ №2019029, МПК H03L 7/00, опубл. 30.08.1994).

10. Передают комбинированный сигнал на приемную сторону радиолинии.

11. Принимают комбинированный сигнал.

Процедуры по п. 10-п.11 основываются на операциях усиления, излучения, выделения сигнала, его высокочастотной обработке и идентичны аналогичным процедурам способа-прототипа.

12. Вычитают из принимаемого комбинированного сигнала Upc(f) расширяющий сигнал Uчм(f), который формируют аналогичным образом как на передающей стороне.

Процедура вычитания сигнала идентична компенсации аддитивных помех, описанной, в частности, в (Патент РФ №98820, МПК G01R 29/26, опубл. 27.10.2010, Бюл. №30).

13. Производят дальнейшую обработку результирующего частотно-манипулированного сигнала. Процедуры дальнейшей обработки сигнала на приемной стороне идентичны способу-прототипу.

Результаты проведенного имитационного моделирования передачи сообщений в среде MatLAB на основе разработанного способа показали, что при несанкционированной обработки комбинированного сигнала, в результате структурной неопределенности о положении спектральных компонент результирующего частотно-манипулированного сигнала, возникает высокая вероятность ошибки демодуляции.

Таким образом, в заявляемом способе при его реализации обеспечивается передача дискретной информации при существенном повышении скрытности спектрального представления формируемого полезного результирующего частотно-манипулированного сигнала за счет дополнительной частотной модуляции при малом значении индекса модуляции, несущей частоты низкочастотным фазоманипулированным колебанием специальной структуры, что указывает на достижение технического результата изобретения.

Термин специальная структура подразумевает тот факт, что она известна только на приемной и передающей стороне радиолинии.

Поясним возможность достижения указанного технического результата.

В способе-прототипе, в зависимости от кода, определяемого алфавитом передачи, осуществляется модуляция, в соответствии с которой количество поднесущих в спектре результирующего сигнала всегда остается постоянным, что и обуславливает его низкую структурную скрытность на спектральном уровне.

В тоже время в заявляемом способе формируют комбинированный сигнал, состоящий из расширяющего сигнала и результирующего частотно-манипулированного сигнала. Поскольку расширяющий сигнал представляет собой сигнал частотной модуляции с малыми индексами модуляции, то в его спектре составляющие будут наблюдаться в пределах каждой из поднесущих частот. Такой эффект обусловлен выбором малого значения индекса частотной модуляции, который и определяет указанное дискретное представление спектра формируемого радиосигнала (см. Д.Д. Кловский. Теория передачи сигналов. Учебник - М. 1973 г.). Поэтому в сформированном комбинированном сигнале поднесущие от результирующего сигнала перестановочной модуляции практически не изменяет общую структуру спектрального представления.

В результате при несанкционированном приеме комбинированного сигнала, он будет идентифицироваться как непрерывный сигнал частотной модуляции. Таким образом за счет совместного формирования расширяющего и результирующего сигналов, обеспечивается повышение структурной скрытность спектрального представления результирующего сигнала, поскольку его компоненты маскируются на фоне спектральных компонент расширяющего сигнала. Данный факт указывает на достижение технического результата заявляемого способа.

Способ передачи дискретных сигналов на основе частотной модуляции, заключающийся в том, что выбирают код с постоянным весом для кодирования поднесущих частот формируемого радиосигнала таким образом, чтобы разрядность кода соответствовала числу доступных для передачи поднесущих частот, разбивают битовый поток на информационные блоки в соответствии с числом доступных комбинаций кода, определяющих его алфавит, ставят в соответствие каждому информационному блоку свою уникальную комбинацию элементов кода, формируют сигналы в виде амплитудно-манипулированных колебаний на длительности каждого передаваемого символа только на тех поднесущих частотах, которым соответствуют информационные единицы, после чего формируют результирующий частотно-манипулированный сигнал путем аддитивного сложения сформированных сигналов на всех поднесущих частотах, принимают результирующий частотно-манипулированный сигнал на поднесущих частотах как независимые частотно-разнесенные амплитудно-манипулированные колебания, отличающийся тем, что дополнительно на приемной и передающей сторонах формируют двоичную последовательность, на основе которой осуществляют фазовую манипуляцию низкочастотной несущей и формируют низкочастотный фазоманипулированный сигнал, далее формируют расширяющий сигнал путем частотной модуляции с малым индексом рабочей частоты, на которой передают результирующий частотно-манипулированный сигнал, сформированным низкочастотным фазоманипулированным сигналом, причем длительность элемента случайной двоичной последовательности, значение частоты несущей и индекс частотной модуляции выбирают таким образом, чтобы результирующий частотно-манипулированный сигнал и сигнал частотной модуляции на рабочей частоте занимали одинаковую полосу частот, и на приемную сторону передают комбинированный сигнал, состоящий из расширяющего сигнала и результирующего частотно-манипулированного сигнала, а при приеме, первоначально вычитают из принимаемого комбинированного сигнала расширяющий сигнал, который формируют аналогичным образом как на передающей стороне, после чего производят дальнейшую обработку результирующего частотно-манипулированного сигнала.