Download СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ АМПЛИТУДНО-ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННОГО СИГНАЛА

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
(19)
RU
(11)
(13)
2 537 042
C1
(51) МПК
H04B
7/00 (2006.01)
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
(12) ОПИСАНИЕ
(21)(22) Заявка:
ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ
2013149580/08, 06.11.2013
(24) Дата начала отсчета срока действия патента:
06.11.2013
(45) Опубликовано: 27.12.2014 Бюл. № 36
(56) Список документов, цитированных в отчете о
поиске: SU 1840540 A1, 27.05.2007, (см. прод.)
C 1
2 5 3 7 0 4 2
R U
Стр.: 1
C 1
(54) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ АМПЛИТУДНО-ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННОГО СИГНАЛА
(57) Реферат:
Изобретение относится к радиотехнике, в
многопозиционную
амплитудночастности к способам формирования сигналов
фазоманипулированную
псевдослучайную
амплитудно-фазовой манипуляции, применяемым
последовательность (ПСП), для формирования
на линиях радиосвязи, которые также могут быть
которой генерируют N≥1 ПСП, при этом
использованы в радиосистемах со сложными
субэлементы каждой i-й ПСП, где i=1, 2, …, N,
сигналами и скремблерах. Достигаемый
разделяют во времени на две равные части,
технический
результат
формирование
первую из которых формируют путем вычисления
амплитудно-фазоманипулированного
синуса некоторого псевдослучайного угла из
псевдослучайного сигнала, обладающего более
интервала (0, 2π), а вторую - косинуса этого угла,
высокой
помехоустойчивостью
передачи
при этом многопозиционную амплитудноинформации. Способ формирования амплитуднофазоманипулированную
ПСП
формируют
фазоманипулированного
псевдослучайного
перемножением N сформированных ПСП, после
сигнала характеризуется тем, что принимают
чего
полученный
амплитудноинформационный
цифровой
сигнал,
фазоманипулированный псевдослучайный сигнал
модифицируют
его
умножением
на
усиливают и излучают в пространство. 11 ил.
2 5 3 7 0 4 2
Адрес для переписки:
194064, Санкт-Петербург, Тихорецкий пр., 3,
ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ, Бюро
изобретательства
(73) Патентообладатель(и):
федеральное государственное казенное
военное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"Военная академия связи имени Маршала
Советского Союза С.М. Буденного"
Министерства обороны Российской
Федерации (RU)
R U
Приоритет(ы):
(22) Дата подачи заявки: 06.11.2013
(72) Автор(ы):
Овчинников Андрей Васильевич (RU),
Чуднов Александр Михайлович (RU)
(56) (продолжение):
RU 2286017 C2, 20.10.2006, RU 2101871 C1, 10.01.1998, RU 2178237 C2, 10.01.2002, EP 0157692 A2,
09.10.1985
R U
R U
2 5 3 7 0 4 2
C 1
C 1
2 5 3 7 0 4 2
Стр.: 2
RUSSIAN FEDERATION
(19)
RU
(11)
(13)
2 537 042
C1
(51) Int. Cl.
H04B
7/00 (2006.01)
FEDERAL SERVICE
FOR INTELLECTUAL PROPERTY
(12) ABSTRACT
(21)(22) Application:
OF INVENTION
2013149580/08, 06.11.2013
(24) Effective date for property rights:
06.11.2013
(45) Date of publication: 27.12.2014 Bull. № 36
C 1
R U
Стр.: 3
C 1
(54) METHOD OF GENERATING AMPLITUDE AND PHASE-SHIFT KEYED SIGNAL
(57) Abstract:
FIELD: radio engineering, communication.
in space.
SUBSTANCE: method of generating an amplitude
EFFECT: generating an amplitude and phase-shift
and phase-shift keyed pseudo-random signal is
keyed pseudo-random signal having higher information
characterised by receiving a digital information signal,
transmission noise-immunity.
modifying said signal by multiplying with a multi11 dwg
position amplitude and phase-shift keyed pseudorandom sequence (PRS) generated by generating N≥1
PRS, wherein sub-elements of each i-th PRS, where i=
1, 2, …, N, are divided in time into two equal parts, the
first of which is formed by calculating the sine of a
certain pseudo-random angle in the (0, 2π) interval, and
the second by calculating the cosine of said angle,
wherein the multi-position amplitude and phase-shift
keyed PRS is generated by multiplying N generated
PRS, after which the obtained amplitude and phase-shift
keyed pseudo-random signal is amplified and emitted
2 5 3 7 0 4 2
Mail address:
194064, Sankt-Peterburg, Tikhoretskij pr., 3,
VOENNAJa AKADEMIJa SVJaZI, Bjuro
izobretatel'stva
R U
(73) Proprietor(s):
federal'noe gosudarstvennoe kazennoe voennoe
obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego
professional'nogo obrazovanija "Voennaja
akademija svjazi imeni Marshala Sovetskogo
Sojuza S.M. Budennogo" Ministerstva oborony
Rossijskoj Federatsii (RU)
Priority:
(22) Date of filing: 06.11.2013
2 5 3 7 0 4 2
(72) Inventor(s):
Ovchinnikov Andrej Vasil'evich (RU),
Chudnov Aleksandr Mikhajlovich (RU)
RU
5
10
15
20
25
30
35
40
45
2 537 042 C1
Изобретение относится к радиотехнике, в частности к способам формирования
сигналов амплитудно-фазовой манипуляции, применяемым на линиях радиосвязи,
которые также могут быть использованы в радиосистемах со сложными сигналами и
скремблерах.
Известен способ передачи информации широкополосными псевдослучайными
сигналами (Патент РФ №2422989, МПК H04B 1/10, 2006 г.), в котором на передающей
стороне системы связи производят наложение на информационный сигнал основной
псевдослучайной последовательности (ПСП), задаваемой генератором ПСП с
минимальной длительностью импульса τ0, причем этой ПСП модулируют несущую
частоту основного передатчика fн1, расположенную в середине выделенной полосы
частот F, на приемной стороне принятый сигнал в приемнике перемножают на основную
ПСП, задаваемую аналогичным генератором ПСП, детектируют синхронным
детектором, обрабатывают в накопителе-интеграторе, определяют полярность
принятого информационного сигнала в решающем устройстве, с выхода которого
снимают информацию потребителю. В моменты времени передачи основным
передатчиком блоков однополярных импульсов основной ПСП длительности ≥3τ0
осуществляют передачу дополнительной информации, излучаемой дополнительным
передатчиком, несущую частоту которого выбирают из соотношения fн2=fн1±1/3 F, а
минимальную длительность импульса излучения дополнительного передатчика
выбирают равной 3 Гц, причем излучение дополнительного передатчика осуществляют
синхронно и синфазно с излучением упомянутых блоков однополярных импульсов
основной ПСП. На приемной стороне прием этой информации осуществляют
дополнительным приемником.
Недостатком данного способа является то, что сформированный модифицированный
сигнал предусматривает синфазную и синхронную передачу сформированных блоков,
которые предполагают корреляционную обработку на приеме встроенным
дополнительным приемником, что затрудняет их использование для многопозиционных
сигналов в условиях действия преднамеренных помех.
Известен способ передачи информации в системе связи с шумоподобными сигналами
(Патент РФ №2286017, МПК H04B 7/216, 2006 г.), в котором цифровые данные,
получаемые от источника информации на временном промежутке [(n-1), nT], где T период ПСП, n=0, 1, 2 …, при передаче преобразуют в сдвиг ПСП, формируемой на
временном промежутке [(n-1), nT], а при приеме определяют величину сдвига ПСП
принятого сигнала относительно ПСП ранее принятого сигнала, величину сдвига
преобразуют в цифровые данные принятой информации.
Недостатком данного способа является относительно низкая помехоустойчивость
сформированного сигнала при воздействии преднамеренных помех.
Наиболее близким аналогом (прототипом) к заявленному способу по своей сущности
и достигаемому техническому результату является способ формирования
фазоманипулированного псевдослучайного сигнала, описанный в книге Л.Е. Варакина
«Системы связи с шумоподобными сигналами», М., «Радио и связь», 1985 г., рис.1.7. В
способе-прототипе формирование ФМ псевдослучайного сигнала включает следующую
последовательность действий: принимают информационный цифровой сигнал,
модифицируют принятый сигнал, для чего генерируют двоичную
фазоманипулированную ПСП длины n (n - база сигнала), с использованием которой
модифицируют информационный цифровой сигнал, генерируют сигнал несущей частоты,
над которым выполняют операцию балансной модуляции с помощью
Стр.: 4
RU
5
10
15
20
25
30
35
40
45
2 537 042 C1
модифицированного информационного сигнала, полученный после балансной модуляции
сигнал усиливают и излучают.
Недостатком ближайшего аналога является то, что сформированные
фазоманипулированные псевдослучайные сигналы обладают относительно низкой
помехозащищенностью в условиях воздействия помех при ограничении средней
мощности источника, в частности, по отношению к импульсным помехам,
сосредоточенным на небольшом числе субэлементов ПСП.
Целью заявляемого технического решения является разработка способа
формирования амплитудно-фазоманипулированного псевдослучайного сигнала,
обладающего более высокой помехоустойчивостью за счет формирования и
использования для модификации информационного сигнала амплитуднофазоманипулированной псевдослучайной последовательности, обеспечивающей
модифицированному информационному сигналу равномерное распределение на nмерной сфере [1].
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе формирования ФМ
псевдослучайного сигнала, заключающегося в том, что принимают информационный
цифровой сигнал, модифицируют его с использованием двоичной ПСП длины n≥1,
генерируют сигнал несущей частоты, выполняют операцию балансной модуляции
сигнала несущей частоты с помощью модифицированного информационного сигнала,
после чего полученный сигнал усиливают и излучают, в заявленном способе для
модификации информационного сигнала используют многопозиционную амплитуднофазоманипулированную псевдослучайную последовательность, для формирования
которой генерируют N≥1 ПСП, при этом субэлементы каждой i-й ПСП, где i=1, 2, …,
N, разделяют во времени на две равные части, первую из которых формируют путем
вычисления синуса некоторого псевдослучайного угла из интервала (0, 2π), а вторую
- косинуса этого угла, при этом многопозиционную амплитудно-фазоманипулированную
ПСП формируют перемножением N сформированных ПСП, а формирование
модифицированного информационного сигнала выполняют путем его умножения на
сформированную многопозиционную амплитудно-фазоманипулированную ПСП.
Реализация заявляемого способа поясняется структурной схемой (фиг.1), где источник
информации (ИИ) 1 своим выходом подключен к первому входу модификатора
информационного сигнала 2, к второму входу которого подключен преобразователь
ПСП 3, входы которого соединены с выходами вычислителя sin/cos 4, который своими
входами подключен к выходам датчика псевдослучайных углов 5, при этом выход
модификатора информационного сигнала 2 подключен к первому входу балансного
модулятора 7, второй вход которого соединен с выходом генератора несущей частоты
8, а выход подключен к входу усилителя мощности 9, соединенного свои выходом с
передающей антенной 10.
Принцип работы устройства, реализующего заявленный способ формирования
амплитудно-фазоманипулированного сигнала, поясняется чертежами фиг.2-9, на
которых:
на фиг.2 показана первая ПСП, поступающая от датчика псевдослучайных углов и
соответствующая значениям псевдослучайного угла α1(t);
на фиг.3 показана первая ПСП γ1(t), сформированная вычислителем sin/cos в
результате вычисления синуса и косинуса угла α1(t);
на фиг.4 показана вторая ПСП, поступающая от датчика псевдослучайных углов и
соответствующая значениям псевдослучайного угла α2(t);
Стр.: 5
RU
5
10
15
20
25
30
35
40
45
2 537 042 C1
на фиг.5 показана вторая ПСП γ2(t), сформированная вычислителем sin/cos в
результате вычисления синуса и косинуса угла α2(t) вторая ПСП γ2(t);
на фиг.6 показана многопозиционная амплитудно-фазоманипулированная ПСП γΣ
(t), сформированная в результате перемножения ПСП γi(t), i=1, 2, … N;
на фиг.7 показан принятый от источника информации информационный цифровой
сигнал x(t);
на фиг.8 показан модифицированный информационный сигнал γΣ(t)x(t), подаваемый
модификатором информационного сигнала на первый вход балансного модулятора;
на фиг.9 показан сигнал несущей частоты ξ(t)=cos(ω0t+φ0), поступивший от генератора
несущей частоты на второй вход балансного модулятора;
на фиг.10 показан сигнал s(t)=SmγΣ(t)x(t)cos(ω0t+φ0), полученный выполнением
операции балансной модуляции сигнала несущей частоты с помощью
модифицированного информационного сигнала и его усиления усилителем мощности.
Формирование амплитудно-фазоманипулированного псевдослучайного сигнала s
(t) (фиг.10) осуществляют следующим образом:
от источника информации принимают информационный цифровой сигнал x(t) (фиг.7);
модифицируют информационный сигнал x(f) (фиг.7) путем его умножения
модификатором информационного сигнала на многопозиционную амплитуднофазоманипулированную ПСП γΣ(t) (фиг.6), в результате чего получают
модифицированный информационный сигнал γΣ(t)x(t) (фиг.8) и подают его на первый
вход балансного модулятора;
генерируют сигнал несущей частоты ξ(t)=cos(ω0t+φ0) (фиг.9) генератором несущей
частоты и подают его на второй вход балансного модулятора;
путем балансной модуляции сигнала несущей частоты ξ(t)=cos(ω0t+φ0) (фиг.9)
модифицированным информационным сигналом γΣ(t)x(t) (фиг.8) формируют амплитуднофазоманипулированный сигнал ξ(t)=cos(ω0t+φ0), в результате усиления которого
усилителем мощности получают амплитудно-фазоманипулированный сигнал s(t)=SmγΣ
(t)x(t)cos(ω0t+φ0) (фиг.10),
Формирование многопозиционной амплитудно-фазоманипулированной ПСП γΣ(t)
(фиг.6) осуществляют следующим образом:
генерируют с помощью датчика псевдослучайных углов псевдослучайные
последовательности, субэлементы каждой из которых принимают значения в интервале
(0, 2π) и соответствуют значениям углов α1(t) (фиг.2), α2(t) (фиг.4) и т.д. … αN(t) с
равномерным распределением в интервале (0, 2π) и подают эти последовательности αi
(t), i=1, 2,…, N на соответствующие входы вычислителя sin/cos;
с помощью вычислителя sin/cos разделяют субэлементы псевдослучайных
последовательностей α1(t) (фиг.2), α2(t) (фиг.4) и т.д. до N αN(t) по временным интервалам
на две равные части каждый и преобразуют каждый субэлемент путем вычисления
синуса от первой его части и косинуса - от второй, в результате чего формируют
псевдослучайные последовательности γ1(t) (фиг.3), γ2(t) (фиг.5), и т.д. … γN(t), которые
подают на входы перемножителя;
формируют в результате перемножения перемножителем псевдослучайных
последовательностей γi(t), i=1, 2, …, N, многопозиционную амплитудно-
Стр.: 6
RU
5
10
15
20
25
30
35
2 537 042 C1
фазоманипулированную ПСП γΣ(t)=γ1(t)γ2(t)…γN(t) (фиг.6), которую далее подают на
второй вход модификатора информационного сигнала для модификации
информационного цифрового сигнала x(t) (фиг.7), подаваемого на первый вход
модификатора.
Как и в прототипе, работой элементов, формирующих псевдослучайные
последовательности (в заявленном устройстве: датчика псевдослучайных углов,
вычислителя sin/cos и перемножителя) управляет синхронизатор, подающий на указанные
элементы синхронизирующие импульсы.
Новая совокупность существенных признаков позволяет достичь указанного
технического результата, заключающегося в повышении помехоустойчивости
излучаемого сигнала при воздействии преднамеренных помех за счет модификации
передаваемого сигнала сформированной многопозиционной амплитуднофазоманипулированной псевдослучайной последовательностью.
Так, в общем случае модифицированный информационный сигнал можно представить
вектором γx в n-мерном пространстве, где x-n-вектор информационного сигнала, γ оператор псевдослучайного преобразования сигнала.
При этом передаваемый амплитудно-фазоманипулированный псевдослучайный
сигнал имеет вид
s(t)=Smγ(t)x(t)cos(ω0t+φ0),
где Sm, ω0, φ0 - соответственно амплитуда, частота и фаза несущего сигнала.
При воздействии в канале передачи информации помехи v(t) на вход приемника будет
поступать сигнал
u(t)=s(t)+v(t)=Smγ(t)x(t)cos(ω0t+φ0)+v(t).
После выполнения в приемнике корреляционной обработки и обратного к γ
преобразования γ′ вектор x^, описывающий полученный в результате обработки
приемником принятый информационный цифровой сигнал, будет иметь вид:
где Еп, Ес - соответственно энергия реализации помехи v(t) и сигнала s(t).
Для многопозиционной амплитудно-фазоманипулированной ПСП преобразование
γ=γΣ, равномерно распределяет сигнал x на n-мерной сфере, при этом обратное
преобразование γ′Σ (образованное многопозиционной амплитуднофазоманипулированной ПСП с противоположными значениями псевдослучайных
углов) также является равномерно распределяющим на n-мерной сфере, так что для
любого вектора помехи v аддитивная помеха
40
, действующая на
информационный сигнал x, является равномерно распределенной на n-мерной сфере,
что не позволяет оптимизировать структуру помехи для подавления канала передачи
информации.
В то же время для используемой в прототипе двоичной фазоманипулированной ПСП
обратное преобразование сводится к покомпонентному умножению на двоичную
фазоманипулированную ПСП. В таком случае вектор аддитивной помехи
45
, действующей на информационный сигнал, зависит от сформированной помехи v, что
позволяет источнику помехи эффективно подавлять канал передачи информации путем
оптимизации структуры помехи. Как показано в [3], наиболее эффективное подавление
радиолинии с фазоманипулированными псевдослучайными сигналами источником
Стр.: 7
RU
5
10
15
20
25
30
35
40
2 537 042 C1
помехи с ограниченной средней мощностью и возможностью постановки помех с
большим пикфактором может быть осуществлено при сосредоточении энергии помехи
на сравнительно небольшом числе субэлементов каждого сигнала.
Сравнительный анализ на основе методики [3] помехоустойчивости в условиях
преднамеренных помех радиолинии с заявленным способом формирования амплитуднофазоманипулированного сигнала и радиолинии, в которой осуществляют формирование
фазоманипулированных сигналов (как в прототипе), приведен в приложении 1. Из
приведенного анализа следует, что уже при базе сигнала n≥20 использование заявленного
способа формирования амплитудно-фазоманипулированного сигнала в условиях
воздействия преднамеренной помехи с ограниченной средней мощностью дает выигрыш
в помехозащищенности радиолинии более 2 дБ. С ростом базы сигнала этот выигрыш
существенно увеличивается, о чем свидетельствуют приведенные графики зависимости
(см. фиг.11).
Таким образом, реализация и внедрение заявленного способа формирования
амплитудно-фазоманипулированного псевдослучайного сигнала обеспечивает
максимальную неопределенность параметров излучаемого сигнала, что повышает
помехоустойчивость передаваемого сигнала в условиях воздействия преднамеренных
помех при ограничении средней мощности их источника,
Литература
1. Чуднов A.M. Помехоустойчивость корреляционного приема псевдослучайных
сигналов, модулированных по амплитуде и фазе //Радиотехника и электроника, 1987.
- т.XXXII. - N1, - С.62-68.
2. Чуднов A.M. Теоретико-игровые задачи синтеза алгоритмов формирования и
приема сигналов. //Проблемы передачи информации, 1991, т.27, №3. - С.57-65.
3. Чуднов A.M. Анализ помехозащищенности линий и сетей связи. - Л.: ВАС, 1988.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Порядок расчета помехозащищенности линий связи при различных способах
формирования сигнала
При формировании ФМ ПСП сигнала вероятность ошибки при заданной пиковой
мощности помехи соответствует выражению [3]
где Впсп - база сигнала, δ′пик - значение пиковой мощности помехи, δ′ξ=(h′ξ)-2.
При δ′ξ<<δ′пик для нечетных значений базы Впсп может быть использовано выражение
где jmax=Впсп(1-h′пик)/2,
.
В частности, при Впсп=1 из (2) вытекает выражение
45
При формировании АФМ ПСП сигнала для анализа и синтеза используется
выражение [2]
Стр.: 8
RU
где В=Впсп,
2 537 042 C1
- неполная бета-функция, определяемая выражением
5
Для нечетных значений величины базы сигнала Впсп=2k+1 из (3), (4) можно получить
расчетное соотношение
10
Графики зависимостей Р(δпик), рассчитанных на основе соотношений (1)-(6),
представлены для различных значений базы псевдослучайных сигналов на фиг.11.
15
20
25
30
Формула изобретения
Способ формирования амплитудно-фазоманипулированного псевдослучайного
сигнала, заключающийся в том, что принимают информационный цифровой сигнал,
модифицируют его с использованием двоичной псевдослучайной последовательности
(ПСП), генерируют сигнал несущей частоты, затем выполняют операцию балансной
модуляции сигнала несущей частоты с помощью модифицированного информационного
сигнала, после чего полученный амплитудно-фазоманипулированный псевдослучайный
сигнал усиливают и излучают, отличающийся тем, что для модификации
информационного сигнала используют многопозиционную амплитуднофазоманипулированную ПСП, для формирования которой генерируют N≥1 ПСП,
субэлементы каждой i-й ПСП, где i=1, 2, …, N, разделяют во времени на две равные
части, первую из которых формируют путем вычисления синуса некоторого
псевдослучайного угла из интервала (0, 2π), а вторую - косинуса этого угла, при этом
многопозиционную амплитудно-фазоманипулированную ПСП формируют
перемножением N сформированных ПСП, а формирование модифицированного
информационного сигнала выполняют путем его умножения на сформированную
многопозиционную амплитудно-фазоманипулированную ПСП.
35
40
45
Стр.: 9
RU
2 537 042 C1
Стр.: 10
RU
2 537 042 C1
Стр.: 11
RU
2 537 042 C1
Стр.: 12