Способ пакетной передачи данных шумоподобными сигналами

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в системах радиосвязи с пакетной передачей данных для повышения их помехоустойчивости. Технический результат - повышение помехоустойчивости системы пакетной передачи данных. В способе пакетной передачи данных шумоподобными сигналами формируют две двоичные квазиортогональные псевдослучайные последовательности максимальной длины, синхронизирующую (СП) и информационную (ИП). На каждом периоде повторения ИП формируют модулированную последовательность (МП) путем циклического сдвига ИП исходной длины на количество элементов, определяемое передаваемым информационным символом. ИП и МП удлиняют на один элемент, а СП укорачивают на определенное количество элементов. В начале передачи каждого пакета данных фазируют между собой ИП и СП и передают синхросигнал, который формируют фазовой манипуляцией сигнала несущей частоты последовательностью СП и дополнительным сдвигом по фазе на 90 градусов при несовпадении текущих значений СП и ИП. Длительность синхросигнала равна произведению длительности одного элемента последовательностей и числа, равного наименьшему общему кратному числа элементов СП и числа элементов ИП. При передаче данных сигнал несущей частоты манипулируют по фазе последовательностью, являющейся суммой по модулю два СП и МП. 2 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и может найти применение в системах помехозащищенной пакетной передачи данных.

Основной задачей, которую приходится решать при проектировании таких систем, является сокращение времени передачи данных при одновременном обеспечении высокой достоверности их приема в условиях воздействия как естественных помех, так и помех от средств радиоэлектронного подавления.

Среди известных методов повышения помехоустойчивости систем связи наибольшее распространение получили метод скачкообразной перестройки частоты (frequency hopping, FH) и метод прямой последовательности (direct sequence, DS) [1]. В отечественной литературе сигналы, формируемые методом DS, называют шумоподобными (широкополосными) фазоманипулированными сигналами (ШПС). Методы их формирования и приема достаточно хорошо исследованы. Им посвящено большое количество научных публикаций, например [2], и патентов [3].

Большинство известных систем связи обладают низкой скоростью передачи информации, так как используют двоичные алфавиты сигналов [4]. В некоторых патентах [5] увеличение скорости передачи информации достигается за счет использования алфавитов сигналов большого объема, однако при этом снижается помехоустойчивость системы, в том числе за счет неполного использования мощности сигнала для передачи информации.

Целью изобретения является повышение помехоустойчивости при обеспечении высокой скорости передачи данных. Достигаемый при использовании изобретения результат – повышение помехоустойчивости системы пакетной передачи данных.

Наиболее близким по количеству совпадающих признаков к заявляемому способу является способ формирования шумоподобных фазоманипулированных сигналов, описанный в [6].

Согласно этому способу в передающем устройстве выполняют следующие операции.

- Формируют сигналы несущей и тактовой частот.

- Из сигнала тактовой частоты формируют двоичные квазиортогональные ПСП, синхронизирующую и информационную, причем синхронизирующая ПСП является М-последовательностью, а информационная ПСП - также М-последовательность, но укороченная или удлиненная на один элемент.

- Периодически с периодом, равным произведению числа элементов синхронизирующей ПСП, числа элементов информационной ПСП и длительности периода тактовой частоты, осуществляют фазирование синхронизирующей ПСП с информационной ПСП, то есть устанавливают генераторы ПСП в начальные фиксированные состояния.

- На каждом периоде повторения информационной ПСП формируют модулированную ПСП путем циклического сдвига информационной ПСП с неизмененной длиной на количество элементов, определяемое передаваемым информационным символом, и дополнительного сложения по модулю два с еще одним битом информации. Полученную последовательность, так же как и информационную ПСП, укорачивают или удлиняют на один элемент.

- Суммируют по модулю два модулированную ПСП и задержанную на целое число периодов тактовой частоты синхронизирующую ПСП, а результат мажоритарно суммируют с синхронизирующей ПСП и информационной ПСП. Под мажоритарным сложением логических сигналов понимается операция вычисления мажоритарной функции «два из трех».

- Полученной двоичной последовательностью манипулируют по фазе сигнал несущей частоты.

- Суммируют по модулю два синхронизирующую ПСП и информационную ПСП, а полученной двоичной последовательностью осуществляют дополнительный сдвиг фазы фазоманипулированного сигнала на ноль или девяносто градусов.

Недостатком способа-прототипа является то, что в формируемом сигнале только половина его мощности используется для передачи данных, что снижает помехоустойчивость системы радиосвязи.

Для решения поставленной в изобретении задачи в способе пакетной передачи данных шумоподобными сигналами, заключающемся в том, что формируют сигналы несущей и тактовой частот, из сигнала тактовой частоты формируют двоичные квазиортогональные псевдослучайные последовательности (ПСП) максимальной длины, синхронизирующую и информационную, информационную ПСП удлиняют на один постоянный элемент и на каждом периоде повторения информационной ПСП формируют модулированную ПСП путем циклического сдвига неудлинённой информационной ПСП на количество элементов, определяемое передаваемым информационным символом, и добавлением одного постоянного элемента, согласно изобретению синхронизирующую ПСП укорачивают на определенное количество элементов, в начале передачи каждого пакета данных фазируют между собой синхронизирующую ПСП и информационную ПСП, а также передают синхросигнал, который формируют путем фазовой манипуляции сигнала несущей частоты синхронизирующей ПСП и дополнительным сдвигом по фазе на 90 градусов при несовпадении текущих значений синхронизирующей ПСП и информационной ПСП, время передачи синхросигнала выбирают равным произведению длительности одного периода тактовой частоты и числа, равного наименьшему общему кратному числа элементов синхронизирующей ПСП и числа элементов информационной ПСП, по окончании синхросигнала осуществляют передачу данных, при этом сигнал несущей частоты манипулируют по фазе последовательностью, которую получают сложением по модулю два синхронизирующей ПСП и модулированной ПСП.

Способ пакетной передачи данных шумоподобными сигналами заключается в последовательном выполнении следующих операций.

- Формируют сигналы несущей и тактовой частот.

- Из сигнала тактовой частоты формируют двоичные квазиортогональные ПСП максимальной длины, синхронизирующую и информационную.

- Информационную ПСП удлиняют на один элемент, добавляя, например, в конце логический ноль или единицу, а синхронизирующую ПСП укорачивают на определенное количество элементов.

- На каждом периоде повторения информационной ПСП формируют модулированную ПСП путем циклического сдвига информационной ПСП начальной длины на количество элементов, определяемое значением передаваемого информационного символа, и добавлением одного постоянного элемента.

- Перед передачей каждого пакета данных фазируют между собой информационную ПСП и синхронизирующую ПСП, то есть устанавливают генераторы (формирователи) ПСП в начальные фиксированные состояния.

- Передают в радиоканал синхросигнал, который формируют манипуляцией по фазе на 180 градусов сигнала несущей частоты синхронизирующей ПСП и дополнительным сдвигом по фазе на 90 градусов при несовпадении текущих значений синхронизирующей ПСП и информационной ПСП.

- Синхросигнал передают в течение времени, равного произведению длительности одного периода тактовой частоты и числа, равного наименьшему общему кратному числа элементов укороченной синхронизирующей ПСП и удлиненной информационной ПСП.

- По окончании передачи синхросигнала осуществляют передачу данных. Для этого сигнал несущей частоты манипулируют по фазе на 180 градусов последовательностью, которую формируют сложением по модулю два синхронизирующей ПСП и модулированной ПСП.

Таким образом, для передачи данных используется вся мощность излучаемого сигнала и помехоустойчивость системы радиосвязи увеличивается на 3дБ.

Структура синхросигнала такова, что для его обнаружения и синхронизации с ним требуется время значительно меньшее, чем его длительность. При этом после синхронизации становится известным время окончания синхросигнала и начала передачи данных. Это существенное преимущество, которое отменяет необходимость поиска заголовка пакета данных и упрощает его структуру.

Для пояснения вышесказанного рассмотрим математическое представление синхросигнала:

где – амплитуда сигнала;

– несущая частота;

– синхронизирующая ПСП;

– информационная ПСП;

– сумма по модулю два синхронизирующей ПСП и информационной ПСП.

Методом перебора значений двоичных переменных можно доказать тождество

Используя это тождество, синхросигнал можно представить в виде

Как видно, синхросигнал представляет собой сумму двух сигналов несущей частоты, сдвинутых между собой по фазе на 90 градусов, один из которых манипулирован по фазе периодически повторяющейся синхронизирующей ПСП, а второй – периодически повторяющейся информационной ПСП.

В силу квазиортогональности синхронизирующей ПСП и информационной ПСП эти сигналы слабо коррелированы между собой и могут обрабатываться отдельно корреляционными методами. В приемном устройстве возможен одновременный поиск синхронизирующей ПСП и информационной ПСП и синхронизация с ними, что сокращает время вхождения в синхронизм.

Рассмотрим более подробно методику выбора количества элементов N укороченной синхронизирующей ПСП. Если количество элементов удлиненной информационной ПСП равно M, то длительность синхросигнала равна

где τ – длительность одного периода тактовой частоты;

– наименьшее общее кратное чисел .

Используя тождество

где – наибольший общий делитель чисел , можно представить значение длительности синхросигнала в виде

где – длительность периода повторения информационной ПСП.

Длительность синхросигнала должна быть больше времени, необходимого приемным устройствам для обнаружения синхронизирующей ПСП и информационной ПСП и синхронизации с ними. Если это время выразить как , где L – количество периодов повторения информационной ПСП, то должно выполняться неравенство

Из (1) и (2) следует, что

Например, если количество элементов исходных ПСП равно 1023, а L лежит в интервале от 20 до 30, то M = 1024 и, выбрав N = 992, получим

В этом примере синхронизирующую ПСП укорачивают на 31 элемент. Процесс формирования начала и конца синхросигнала представлен на фиг.1. Первый импульс на фиг.1в соответствует моменту фазирования генераторов (формирователей) синхронизирующей ПСП и информационной ПСП, а также начала передачи синхросигнала. Импульсы на фиг.1а соответствуют моментам начала каждого периода повторения синхронизирующей ПСП, а на фиг.1б – информационной ПСП. Второй импульс на фиг.1в соответствует моменту совпадения по времени начала синхронизирующей ПСП и начала информационной ПСП, а также моменту начала передачи данных.

Отсюда следует, что в приемном устройстве момент начала передачи данных может быть зафиксирован как момент первого совпадения начала синхронизирующей ПСП и начала информационной ПСП, которые формируются в приемном устройстве синхронно с принимаемым сигналом.

При передаче данных формируемый сигнал имеет вид

где – модулированная ПСП.

Он представляет собой сигнал несущей частоты, манипулированный по фазе модулированной ПСП и синхронизирующей ПСП. Введение дополнительной фазовой манипуляции синхронизирующей ПСП позволяет получить ансамбль информационных сигналов, слабо коррелированных при временных сдвигах. При её отсутствии в радиоканалах с многолучевым распространением радиоволн информационные сигналы в разных лучах соответствуют различным передаваемых информационным символам. Это приводит к снижению помехоустойчивости приема, так как появляется вероятность выбора информационного символа, соответствующего не основному лучу приема, а одному из дополнительных.

В приемном устройстве квадратурные огибающие входного сигнала должны быть предварительно умножены на сигнал где – синхронизирующая ПСП, сформированная в приемном устройстве и синхронизированная с принимаемым сигналом во время передачи синхросигнала. После этого вычисляют корреляцию квадратурных огибающих с каждым из сигналов вида где соответствует из возможных передаваемых информационных символов, а также сумму их квадратов. Выбирают максимальное из значений суммы квадратов и соответствующую ему модулированную ПСП, по которой определяют передаваемый информационный символ.

Пример технической реализации устройства формирования передаваемого сигнала приведен на фиг. 2.

Устройство содержит:

1 – формирователь сигналов несущей и тактовой частот (ФНТЧ);

2 – делитель частоты на M;

3 – параллельный регистр;

4 – счетчик по модулю N;

5 – счетчик по модулю M;

6 – сумматор по модулю (M – 1);

7, 8, 9 – постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);

10, 13 – сумматор по модулю два;

11, 17 – схема 2ИЛИ;

12 – схема 2И;

14 – делитель частоты на K, где ;

15 – перемножитель;

16 – D-триггер;

18 – фазовращатель на 90 градусов;

19 – коммутатор.

Устройство работает следующим образом. Сигнал тактовой частоты, формируемый ФНТЧ 1, поступает на тактовые входы делителя частоты на M 2, счетчика по модулю N 4 и счетчика по модулю M 5. Внешний сигнал разрешения передачи (РП) поступает на входы обнуления счетчиков 4, 5, входы начальной установки делителей частоты 2, 14 и вход установки в состояние логического нуля D-триггера 16.

При отсутствии сигнала РП счетчики 4, 5 и D-триггер 16 находятся в нулевом состоянии, а делители частоты 2, 14 – в исходном состоянии. По приходу сигнала РП начинают работать счетчики 4, 5 и делители частоты 2, 14. Делитель частоты 2 формирует импульсы длительностью, равной одному периоду τ тактовой частоты, и с периодом повторения Mτ, равным M периодам тактовой частоты. Эти импульсы поступают на тактовые входы параллельного регистра 3 и делителя частоты на 14, а также на один из входов схемы 2ИЛИ 11. По приходу -го импульса на выходе делителя частоты 14 возникает импульс длительностью, равной одному периоду тактовой частоты, который поступает на тактовый вход D-триггера 16 и устанавливает его в состояние логической единицы.

Выходной сигнал (РД) D-триггера 16 поступает во внешнее устройство передачи данных (УПД) и разрешает передачу данных. Тактовыми импульсами (ТИ) считывания данных из УПД служат выходные импульсы делителя частоты 2. Передаваемые информационные символы в виде многоразрядных двоичных чисел поступают с выхода УПД на вход параллельного регистра 3, куда записываются выходными импульсами делителя частоты 2.

Формирование псевдослучайных последовательностей происходит следующим образом. На выходах счетчиков 4 и 5 с частотой тактовых импульсов формируются периодические последовательности многоразрядных двоичных чисел и соответственно. Выходные сигналы счетчика 4 поступают на адресные входы ПЗУ 7, в котором записана синхронизирующая ПСП. На выходе ПЗУ 7 формируется периодически повторяющаяся последовательность, состоящая из N элементов синхронизирующей ПСП.

Аналогично, выходные сигналы счетчика 5 поступают на адресные входы ПЗУ 8, в котором записана информационная ПСП, дополненная одним элементом. На выходе ПЗУ 8 формируется периодически повторяющая информационная ПСП, дополненная одним элементом.

Синхросигнал формируется на протяжении первых K периодов повторения информационной ПСП. В это время D-триггер 16 находится в состоянии логического нуля. Его выходной сигнал, поступая на один из входов схемы 2И 12, формирует на её выходе сигнал с уровнем логического нуля, который складывается в сумматоре по модулю два 13 с синхронизирующей ПСП. В результате на выходе сумматора по модулю два 13 формируется неискаженная синхронизирующая ПСП, которая в перемножителе 15 умножается на сигнал несущей частоты. Фазоманипулированный сигнал с выхода перемножителя 15 поступает на один из входов коммутатора 19 непосредственно, а на второй вход – после сдвига по фазе на девяносто градусов в фазовращателе 18. Управление коммутатором 19 осуществляется выходным сигналом схемы 2ИЛИ 17, на один из входов которой поступает сигнал с выхода сумматора по модулю два 10, представляющий собой сумму по модулю два синхронизирующей ПСП и информационной ПСП. На второй вход схемы 2ИЛИ 17 поступает выходной сигнал D-триггера 16. Так как в этом режиме он имеет уровень логического нуля, на выход схемы 2ИЛИ 17 проходит выходной сигнал сумматора по модулю два 10 и управление коммутатором 19 осуществляется сигналом, являющимся суммой по модулю два синхронизирующей ПСП и информационной ПСП.

В режиме передачи данных D-триггер 16 переходит в состояние логической единицы. Его выходной сигнал устанавливает на выходе схемы 2ИЛИ 17 постоянный сигнал с уровнем логической единицы, и коммутатор 19 постоянно пропускает на выход сигнал с выхода перемножителя 15. Кроме того, выходной сигнал D-триггера 16, поступая на один из входов схемы 2И 12, разрешает прохождение сигнала с выхода схемы 2ИЛИ 11 на один из входов сумматора по модулю два 13.

Двоичные коды передаваемых информационных символов записываются в параллельный регистр 3 и поступают на один из входов сумматора по модулю 6, на второй вход которого поступает многоразрядный сигнал с выхода счетчика по модулю 5. На выходе сумматора по модулю 6 формируется циклически сдвинутая последовательность , состоящая из элемента. Величина сдвига равна числу, двоичный код которого записан в регистре 3.

Выходные сигналы сумматора по модулю 6 поступают на адресные входы ПЗУ 9, в котором записана информационная ПСП. На выходе ПЗУ 9 формируется модулированная ПСП, представляющая собой неудлинённую циклически сдвинутую информационную ПСП. В схеме 2ИЛИ 11 происходит добавление к ней постоянного элемента, равного логической единице, в момент прихода импульса с выхода делителя 2.

Выходной сигнал схемы 2ИЛИ 11 проходит на один из входов сумматора по модулю два 13, на второй вход которого поступает синхронизирующая ПСП, а на выходе формируется сумма по модулю два синхронизирующей ПСП и модулированной ПСП, которая в перемножителе 15 манипулирует по фазе сигнал несущей частоты.

ИСТОЧНИКИ ИНФОМАЦИИ

1. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр. Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. – 1104 с., с.733-819.

2. Борисов В.И. и др. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью – М.: Радио и связь, 2003. – 641с.

3. Патент RU 2646 353 С1. Передатчик повышенной структурной и энергетической скрытности. Опубликовано 02.03.2018. Бюл. № 7.

4. Патент RU 2127 486 С1. Способ и устройство передачи сообщений широкополосными сигналами. Опубликовано 10.03.1999.

5. Патент RU 2279 183 С2. Способ передачи информации в системе связи с широкополосными сигналами. Опубликовано 27.06.2006. Бюл. № 18.

6. Патент RU 2731 681 С1. Способ формирования шумоподобных фазоманипулированных сигналов. Опубликовано 07.09.2020. Бюл. № 25.

Способ пакетной передачи данных шумоподобными сигналами, заключающийся в том, что формируют сигналы несущей и тактовой частот, из сигнала тактовой частоты формируют двоичные квазиортогональные псевдослучайные последовательности (ПСП) максимальной длины, синхронизирующую и информационную, информационную ПСП удлиняют на один элемент и на каждом периоде повторения информационной ПСП формируют модулированную ПСП путем циклического сдвига неудлинённой информационной ПСП на количество элементов, определяемое передаваемым информационным символом, и добавлением одного постоянного элемента, отличающийся тем, что синхронизирующую ПСП укорачивают на такое количество элементов, при котором частное от деления числа элементов синхронизирующей ПСП на наибольший общий делитель числа элементов синхронизирующей ПСП и числа элементов информационной ПСП находится в заданном интервале натуральных чисел, в начале передачи каждого пакета данных фазируют между собой синхронизирующую ПСП и информационную ПСП, а также передают синхросигнал с квадратурной фазовой манипуляцией, для формирования которого сигнал несущей частоты сначала манипулируют по фазе синхронизирующей ПСП, а затем фазоманипулированный сигнал дополнительно сдвигают по фазе на девяносто градусов на тех интервалах времени, на которых значения синхронизирующей ПСП и информационной ПСП не совпадают, время передачи синхросигнала выбирают равным произведению длительности одного периода тактовой частоты и числа, равного наименьшему общему кратному числа элементов синхронизирующей ПСП и числа элементов информационной ПСП, по окончании синхросигнала осуществляют передачу данных, при этом сигнал несущей частоты манипулируют по фазе последовательностью, которую получают сложением по модулю два синхронизирующей ПСП и модулированной ПСП.