Способ и система передачи цифровой информации

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СПОСОБ И СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ(71) Заявитель Гродненский государственный университет им. Я. Купалы(73) Патентообладатель Гродненский государственный университет им. Я. Купалы(57) 1. Способ передачи цифровой информации, кодированной цифровым кодом, заключающийся в том, что на передающей стороне последовательно формируют и передают в канал два идентичных цифровых сигнала с фазовой манипуляцией высокочастотного несущего электромагнитного колебания с определенной длительностью Тс, известной на приемной стороне, при этом временной интервал между моментом окончания передачи в канал первого сигнала и моментом начала передачи в канал второго сигнала имеет длительность Ти, которая соответствует значению информационного цифрового кода передаваемой информации и измеряется соответствующим количеством элементарных тактов длительностью Тт системы синхронизации на передающей стороне, а в качестве момента начала и окончания указанного временного интервала между окончанием и началом передачи в канал сигналов используют соответственно момент начала и момент окончания преобразования параллельного цифрового сигнала информационного кода передаваемой информации в конечную последовательность импульсов синхронизаци, период следования которых равен элементарному такту системы синхронизации на передающей стороне, длительность Тт которого известна на приемной стороне, а на приемной стороне принятые фазоманипулированные сигналы преобразуют в соответствующие сигналы огибающей их корреляционной функции, определяют и фиксируют временное положение Т 1 и Т 2 максимума корреляционной функции соответственно первого и второго сигналов с целью вычисления значения длительности Ти по формуле Ти(Т 2-Т 1-Тс)/Тт, Фиг. 1 однозначно определяющей значение информационного кода передаваемой информации, равное количеству элементарных тактов, составляющих временной интервал длительностью Ти, отличающийся тем, что на пе 4236 1 редающей стороне весь частотный диапазон, отводимый для высокочастотного несущего колебания, разбивают нанеперекрывающихся частотных поддиапазонов, а первый и второй сигналы, передаваемые в канал,последовательно формируют каждый в виде последовательности изсоставных сигналов, каждый из которых в свою очередь формируют путем суммированиясигналов с фазовой модуляцией высокочастотной несущей колебания соответствующего частотного поддиапазона, формируемых синхронно, путем последовательного выполнения действий формированиядвоичных сигналов соответствующих двоичных параллельных -разрядных кодов, каждый из которых соответствует определенной дискретной функции Уолша ссимволами, параллельного синхронного преобразования сигналов всех символов каждой функции Уолша в сигналы с фазовой манипуляцией низкочастотного несущего одного и того же электромагнитного колебания и, наконец, последующего преобразования фазоманипулированных сигналов в сигналы с фазовой модуляцией высокочастотной несущей колебания соответствующего частотного поддиапазона, а на приемной стороне для каждого из двух принятых сигналов, путем фильтрации и демодуляции в каждом из поддиапазонов высокочастотного электромагнитного колебания, выделяют фазоманипулированные составные сигналы низкой частоты, которые поэлементно, последовательно изменяя фазу по закону, строго соответствующему фазовой манипуляции в соответствующем поддиапазоне на передающей стороне, суммируются по амплитуде и, в результате суммирования, формируют сигналы огибающей корреляционной функции для первого и второго принятого сигнала. 2. Система передачи цифровой информации, содержащая на передающей стороне последовательно соединенные блок ключей, информационными входами связанный с информационными входами системы, вычитающий счетчик, вход счета которого соединен со входом синхронизации системы, и дешифратор нуля, а также дешифратор конечного состояния, выход которого соединен с управляющим входом блока ключей,фазовый модулятор с передатчиком, выходом связанным через канал со входом приемника на приемной стороне, а на приемной стороне - приемник с фильтром и последовательно соединенные детектор, схему выделения максимума, вычислительный блок с накопителем, отличающаяся тем, что на передающей стороне дополнительно введены -разрядный генератор функций Уолша, вход синхронизации которого соединен со входом синхронизации системы, -1 фазовых модуляторов, вход несущей каждого из которых является входом несущей системы соответствующего высокочастотного поддиапазона электромагнитного колебания,фазовых манипуляторов, вход несущей каждого из которых соединен со входом низкочастотной несущей системы, и аналоговый сумматор, а на приемной стороне дополнительно введеныфазовращателей,многоотводных линий задержки, аналоговый сумматор и -1 фильтров, причем выход каждого изфильтров соединен со входом одного демодулятора, выход которого соединен со входом одной соответствующей многоотводной линии задержки, при этом на передающей стороне, управляющий выход генератора функций Уолша соединен со входом дешифратора конечного состояния, а каждый изинформационных выходов генератора функций Уолша через соответствующие последовательно соединенные фазовый манипулятор и модулятор связан с соответствующим входом аналогового сумматора, выход которого подключен к информационному входу передатчика, управляющий вход которого связан с выходом дешифратора нуля, а на приемной стороне выход приемника соединен с объединенными входами фильтров, а выходы многоотводных линий задержки через соответствующие фазовращатели подключены ко входам аналогового сумматора,вход которого связан со входом детектора.(56) Сюрин В.Н. и др. Передача дискретных сообщений с помощью относительной временной манипуляции составных фазоманипулированных сигналов//Теория передачи информации по каналам связи Сборник научных трудов учебных институтов. - Л. ЛЭИС, 1984. - С. 78-83.1758894 1, 1992.1709549 1, 1992.4945549 , 1990.85/02966 1, 1985.1626421 2, 1991. Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для передачи цифровой информации с высокой помехоустойчивостью. Известен способ передачи цифровой информации, заключающийся в том, что на передаче информация кодируется величиной временного интервала между двумя соседними по времени передачи сигналами одинакового вида, а на приеме выделяется временной интервал между двумя соседними корреляционными максимумами сигнала, величина которого выражается числом тактовых интервалов, это число приводится по модулю периода сигнала и тем самым декодируется информация (А.с. СССР 11149428 А, 1985). 4236 1 Известна система для реализации этого способа, содержащая на приемной стороне последовательно соединенные согласованный фильтр, детектор, схему выделения максимума, вычислительный блок и накопитель. (А.с. СССР 11149428 А, 1985). Однако данные способ и система обладают недостаточно высокой помехоустойчивостью из-за наличия системной и комбинационной помех, а также наличия боковых выбросов автокорреляционной функции. Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ передачи цифровой информации, заключающийся в том, что в качестве переносчика информации используется одно фазоманипулированное по закону М-последовательности колебание, а информация вкладывается в разность временных положений двух соседних по времени передач М-последовательностей (Сюрин В.Н., Когновицкий О.С., Окунев Ю.Б Передача дискретных сообщений с помощью относительной временной манипуляции составных фазоманипулированных сигналов // Теория передачи информации по каналам связи. - Л. ЛЭИС, 1984. - С. 78-83). Известна система для реализации данного способа, содержащая на передаче генератор псевдослучайной последовательности, фазовый манипулятор, дешифратор конечного состояния, ключ, вычитающий счетчик и специальный дешифратор на приеме - согласованный фильтр, детектор, схему выбора максимума и арифметико-логическое устройство (Сюрин В.Н., Когновицкий О.С., Окунев Ю.Б Передача дискретных сообщений с помощью относительной временной манипуляции составных фазоманипулированных сигналов // Теория передачи информации по каналам связи. - Л. ЛЭИС, 1984. - С. 78-83). Помехоустойчивость данных способа и системы все же недостаточна из-за того, что существует увеличенная вероятность неправильного выделения корреляционного максимума из-за наличия боковых максимумов апериодической автокорреляционной функции сигнала, максимальное значение коэффициента корреляции может быть равным (13)/, где М - база сигнала. Повышение помехоустойчивости передачи цифровой информации достигается тем, что в известном способе, в котором на передаче информацию кодируют величиной временного интервала между двумя соседними по времени передачи сигналами, а на приеме выделяют временной интервал между двумя соседними корреляционными максимумами сигнала, величину этого интервала выражают числом тактовых импульсов,это число приводят по модулю периода сигнала и тем самым декодируют информацию, вводят новые операции на передаче используемый частотный диапазон разбивают с помощью модуляции сетки несущих колебаний на требуемое числонеперекрывающихся поддиапазонов, в каждом из поддиапазонов формируют определенную фазоманипулированную импульсную последовательность синхронизированных элементов равной длительности таким образом, что система элементов с одинаковыми порядковыми номерами, взятых из каждого поддиапазона, соответствует дискретной функции Уолша, полученные сигналы суммируют,сформированный групповой сигнал передают по радиоканалу, на приеме путем фильтрации и демодуляции выделяют фазоманипулированные последовательности в каждом из поддиапазонов, последовательно запоминают их в соответствующих многоотводных линиях задержки, сигналы с отводов линий задержек суммируют в тот момент, когда последовательности полностью записаны в линиях задержки, выделяют максимум автокорреляционной функции сигнала и декодируют цифровую информацию. В систему для реализации способа, содержащую на передаче последовательно соединенные блок ключей, вычитающий счетчик и дешифратор нуля, а также дешифратор конечного состояния, фазовый манипулятор и передатчик,а на приеме - приемник и последовательно соединенные детектор, схему выделения максимума, вычислительный блок и накопитель, на передаче введены генератор функций Уолша,модуляторов и аналоговый сумматор, а на приеме введеныпоследовательно соединенных полосовых фильтров, демодуляторов и многоотводных линий задержки, а такжефазовращателей ( - количество используемых отводов линии задержки) и аналоговый сумматор. Сущность предлагаемого способа рассмотрим путем анализа операций, производимых в системе для реализации способа. На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема системы. Система для реализации предлагаемого способа содержит на передаче последовательно соединенные блок ключей 1, вычитающий счетчик 2, дешифратор нуля 3 и генератор функции Уолша 4, а также - дешифратор конечного состояния 5,фазовых манипуляторов 6 и модуляторов 7, аналоговый сумматор 8 и передатчик 9, при этом управляющий выход генератора функций Уолша 4 через дешифратор конечного состояния 5 связан с выходом управления блока ключей 1, а егоинформационных выходов через соответствующие последовательно соединенные фазовые манипуляторы 6 и модуляторы 7 связаны с входами аналогового сумматора 8, выход которого подключен к информационному входу передатчика 9, управляющий вход которого связан с выходом дешифратора нуля 3, на приеме система содержит приемник 10 каналов, содержащих последовательно соединенные полосовой фильтр 11, демодулятор 12 и многоотводную линию задержки 13,фазовращателей 14, аналоговый сумматор 15 и последовательно соединенные детектор 16, схему выделения максимума 17, вычислительный блок 18 и накопитель 19, при этом выход приемника 10 соединен с объединенными входами полосовых фильтров 11, а выходы многоотводных линий задержки 13 через соответствующие фазовращатели 14 подключены к входам аналогового сумматора 15, выход которого связан с входом детектора 16. Сущность способа и работа системы заключается в следующем. В первоначальный момент времени вычитающий счетчик 2 обнулен, на выходе дешифратора нуля 3 присутствует единичный сигнал, который запускает по управляющим входам передатчик 9 и генератор функций Уолша 4, последний параллельно выдает сигнал в двоич 3 4236 1 ном коде, соответствующем К функциям Уолша посимволов каждая. Двоичный сигнал, соответствующий функциям Уолша, поступает на вход фазовых манипуляторов 6, на вторых входы которых подается низкочастотная несущая 0. С выхода фазовых манипуляторов на входы соответствующих модуляторов 7 поступают фазоманипулированный сигнал с частотой 0, модулированный по закону функций Уолша, на вторые входы которых подаются высокочастотные несущие колебания, при этом частота несущей для каждого канала удовлетворяет соотношению 0(-1), где- номер канала- полоса частот каждого канала. На выходах модуляторов 7 получаем высокочастотные неперекрывающиеся сигналы, которые суммируются с помощью аналогового сумматора 8 и затем поступают на информационный вход передатчика 9 и излучаются в эфир. В момент окончания выдачи двоичного сигнала генератором функций Уолша 4 срабатывает дешифратор конечного состояния 5, сигналом с его выхода открывается блок ключей 1, через который с входа устройства в вычитающий счетчик 2 записывается двоичная комбинация сигналов, подлежащая передаче. В это же время на выходе дешифратора нуля появляется нулевой сигнал, выключающий передатчик 9 и генератор функций Уолша 4. Под действием тактовых импульсов(ТИ), поступающих на счетный вход вычитающего счетчика 2, последний последовательно изменяет свои состояния до возвращения в исходное (нулевое) состояние. В этом случае единичным сигналом с выхода вычитающего счетчика 2 происходит включение передатчика 9 и генератора функций Уолша, что приводит к передаче в эфир высокочастотного сигнала, соответствующего набору используемых функций Уолша. Как видно, временной интервал между двумя последовательно передаваемыми высокочастотными сигналами представляет собой двоичное число тактовых интервалов, однозначно соответствующее информационной комбинации, введенной на передаче. При этом всегда -тое сообщение кодируется относительно (-1)-го высокочастотного сигнала. На приеме сигнал поступает на вход приемника 10, в котором производится его предварительная фильтрация и усиление. С помощью полосовых фильтров 11 производится разделение выходного сигнала приемника 10 неперекрывающихся частотных поддиапазонов, в каждом из которых с помощью демодуляторов 12 производится выделение соответствующих фазоманипулированных по закону последовательностей Уолша низкочастотных сигналов с частотой 0. Эти сигналы запоминаются в многоотводных линиях задержки 13. С выходов многоотводных линий задержки 13 сигналы проходят через фазовращатели 14 и складываются в аналоговом сумматоре 15. Каждый из фазовращателей 14 либо оставляет фазу колебаний 0 неизменной, либо поворачивает ее на 180. Режим включения фазовращателей выбирается таким образом, чтобы при полной записи сигналов в линиях задержки 13 элементарные сигналы с их отводов подавались на входы сумматора 15 в фазе. Это приводит к тому, что сигнал на выходе сумматора равен нулю при любом временном сдвиге, т.е. на любом этапе его записи в линии задержки 13, и равен сумме всех элементарных сигналов, складываемых в фазе, тогда и только тогда, когда групповой сигнал полностью записан в линиях задержки. Это следует из свойства ортогональности функций Уолша. На выходе детектора 16 формируется огибающая корреляционной функции сигнала. С помощью схемы выделения максимума 17 определяется максимум корреляционной функции и его временное положение. После выбора очередного максимума и определения его временного положения в вычислительном блоке 18 вычисляется временной интервал между предыдущим и выделенным максимумами и тем самым декодируется информационная комбинация, которая выдается на выход устройства. Информация о временном положении предыдущего максимума хранится в накопителе 19 и обновляется каждый раз при приеме очередного сообщения. В качестве конкретного примера выполнения возьмем 4, т.е. четыре 4-элементных функций Уолша,показанные на фиг. 2. При этом на выходах фазовых манипуляторов 6 единичным символам будут соответствовать гармонические колебания с частотой 0 и фазой 0, а нулевым с фазой 180. На фиг. 3 приведена часть схемы приемника для данного примера, включающая многоотводные линии задержки (МЛЗ) 13, систему фазовращателей 14, сумматор 15 и детектор 16. Пусть МЛЗ записан сигнал, соответствующий символам первой функции Уолша 1, тогда на первых слева отводах всех МЛЗ присутствуют единичные сигналы, т.е. отрезки гармонического колебания с 0. Эти сигналы через фазовращатели 14 подаются на входы сумматора 15. Если на фиг. 3 внутри фазовращателя 14 вписан 0, то такой фазовращатель не изменяет фазу колебаний 0, если вписан символ , то такой фазовращатель изменяет фазу колебания на 180. Таким образом, для функции 1 первый элемент с первого вывода МЛЗ 1 и третий элемент с первого вывода МЛЗ 3 поступает на входы сумматора 15 с неизменной фазой 0, а второй элемент с первого вывода МЛЗ 2 и четвертый элемент 1 с первого вывода МЛЗ 4 поступают на входы сумматора 15 с изменением фазы на 180. Поэтому в сумматоре 15 складываются два элемента с 0 и два элемента с 180, что в сумме дает ноль. Как видно на данном примере,нулевой сигнал на выходе сумматора 15 будет и в случае записи 1 и 2 в МЛЗ, когда на вторых выводах МЛЗ будут сигналы, соответствующие элементам 1, а на первых выводах МЛЗ - сигналы, соответствующие элементам 2, и так далее. Сигнал, соответствующий сумме всех элементов полного набора функций Уолша, появится на выходе сумматора 15 только в том случае, когда эти функции будут полностью записаны в МЛЗ, т.е. как бы все временные сдвиги суммарного сигнала оказываются ортогональными друг относительно друга, кроме полного совпадения. Это означает, что автокорреляционная функция сигнала при использовании предлагаемого способа передачи не имеет боковых выбросов и коэффициент корреляции равен нулю в отличие от упомянутого ранее для прототипа значение (13)/, что приводит к значительному повышению помехоустойчивости. 4 4236 1 Предлагаемое техническое решение по сравнению, например, с оптимальным приемником не требует синхронизации момента отсчета, что упрощает его структуру и повышает надежность функционирования. Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить помехоустойчивость системы передачи дискретных сообщений, что достигается за счет устранения боковых максимумов автокорреляционной функции передаваемого сигнала. Так как в предлагаемом способе на выходе сумматора всякий раз получается нулевой сигнал, кроме случая, когда передаваемый сигнал принят полностью, то автокорреляционная функция передаваемого сигнала имеет только один главный максимум, а коэффициент корреляции равен нулю. Очевидно, что при определении временного положения принимаемых сигналов для возникновения ошибки необходима помеха большей мощности, так как отсутствуют боковые максимумы автокорреляционной функции передаваемого сигнала. Это видно из формулы (6) (Теория передачи информации по каналам связи. - Л. ЛЭИС, 1984. - С. 81). Вероятность ошибочного приема сообщения минимальна при коэффициенте корреляции м 0. В то время как в известных способах передачи цифровой информации коэффициент корреляции отличен от нуля. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.