RU2544735C2 - Device for generating, transmitting and receiving frequency-time matrix of noise-like signal - Google Patents

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: invention relates to transmitting information using noise-like signals by generating a frequency-time matrix of a noise-like signal, transmitting frequency-time elements and means of extracting the frequency-time matrix of transmitted information from received signals. The device for generating, transmitting, receiving and decoding a frequency-time matrix is characterised by that it includes, at the transmitting side, a frequency-time matrix generator which fills all or part of a matrix with the same frequency-time element in which all useful information is stored, channel transmitters and antennae, and at the receiving side includes a broadband receiver, a demodulator, band-pass filters, a memory array, a synchronisation unit, wherein the frequency-time matrix generator employs the same fragment of the information signal to demodulate all frequency-time elements; frequency-time elements are digitised; after filling the entire matrix with frequency-time elements, all the obtained frequency-time elements are summed with the entire frequency-time matrix into a single output signal.

EFFECT: high signal-to-noise ratio for full and reliable extraction of all information embedded in a transmitted signal.

5 cl, 4 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение представляет собой совокупность средств формирования частотно-временной матрицы (ЧВМ) шумоподобного сигнала (ШПС), передачи частотно-временных элементов (ЧВЭ) и средств извлечения из принятых сигналов ЧВМ полезной информации и относится к области систем передачи и приема ШПС. Представляет также интерес применение его в силу простоты реализации для передачи информации посредством акустических и гидроакустических волн.The invention is a combination of means for generating a time-frequency matrix (CVM) of a noise-like signal (SHPS), transmission of time-frequency elements (CVE) and means for extracting useful information from the received signals of the FSM and relates to the field of transmission and reception systems of SHPS. It is also of interest to use it because of its simplicity of implementation for transmitting information by means of acoustic and hydroacoustic waves.

Уровень техникиState of the art

Наиболее полно множество способов формирования, передачи и декодирования ШПС описаны в [1]. Как отмечает автор, наиболее удобной является графическая форма представления, когда ШПС изображается в виде базисного прямоугольника, в котором по горизонтали задаются частотные полосы, а по вертикали - минимальные временные интервалы, используемые для передачи одного частотно-временного элемента. На практике получили распространение ШПС, обладающие только одним ЧВЭ во временной полосе. По распределению энергии в частотной полосе наиболее часто используют ШПС-(ФМ) - фазоманипулированного частотного заполнения, ШПС-((ДЧ) - дискретного частотного заполнения, ШПС-(ДСЧ-ЧМ) - дискретного составного частотного сигнала с частотной манипуляцией и ШПС-(ДСЧ-ФМ) - дискретного составного частотного сигнала с фазовой манипуляцией.The most complete set of methods for the formation, transmission and decoding of SHPS are described in [1]. As the author notes, the most convenient is the graphical form of representation, when the SHPS is depicted as a basic rectangle in which the frequency bands are set horizontally and the minimum time intervals used to transmit one time-frequency element vertically. In practice, ShPS with only one CVE in the time band are widespread. According to the energy distribution in the frequency band, the most common use is SHPS- (FM) - phase-shift frequency filling, SHPS - ((DF) - discrete frequency filling, SHPS- (DSCH-FM) - discrete composite frequency signal with frequency manipulation and SHPS- (DSCH) -FM) - discrete composite frequency signal with phase shift keying.

Двумя частными случаями построения ЧВМ являются: 1) возможность использования временной составляющей, когда, например, при ШПС-(ФМ) весь частотный спектр заполняется импульсами с фазой из двух состояний 0 и π; и 2) частотной составляющей, когда выделенный под ШПС частотный спектр разбит на полосы, число которых равно алфавиту ШПС. ЧВМ при этом вырождается условно из прямоугольника в 1) горизонтальную и 2) вертикальную полосы.Two particular cases of constructing a FWM are: 1) the possibility of using the time component, when, for example, with SHPS- (FM), the entire frequency spectrum is filled with pulses with a phase of two states 0 and π; and 2) the frequency component, when the frequency spectrum allocated for the NPS is divided into bands, the number of which is equal to the NPS alphabet. In this case, a FWM degenerates conditionally from a rectangle into 1) horizontal and 2) vertical stripes.

Очевидными недостатками такого способа формирования ЧВМ ШПС являются:The obvious disadvantages of this method of forming FWM SHPS are:

- неэффективное использование выделенной полосы частот - передается только один ЧВЭ элемент во всей временной полосе;- inefficient use of the allocated frequency band - only one CVE element is transmitted in the entire time band;

- использование в качестве ЧВЭ традиционных видов модуляции, обладающих низкой помехоустойчивостью,- the use of conventional types of modulation with low noise immunity as a CVE,

- что в сочетании с использованием для демодуляции ШПС коррелятора не позволяет декодировать принимаемый сигнал, когда некоторая часть или все ЧВЭ по размаху существенно меньше уровня шумов,- which, in combination with the use of a correlator for demodulation of the BBA, does not allow to decode the received signal when some or all of the CVEs are significantly smaller in noise in terms of magnitude,

- и высокую сложность формирования ШПС с большими базами.- and the high complexity of the formation of ShPS with large bases.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

На с. 54 из [2] показано, что из формулы Шеннона непосредственно вытекает возможность обмена полосы пропускания на мощность сигнала и наоборот:On p. 54 from [2] it is shown that the possibility of exchanging the bandwidth for the signal power and vice versa directly follows from the Shannon formula:

$$C=F\cdot {\log }_2(1+{Р}_{с}/{Р}_{п}),(1)$$

$$C=F\cdot {\log }_2(\mathrm{one}+R_{\mathrm{from}}/R_P),(\mathrm{one})$$

где Р_с - мощность сигнала;,where P _c is the signal power ;,

Р_п - мощность помехи;R _p is the interference power;

F - полоса частот в канале.F is the frequency band in the channel.

Из анализа такого обмена [3], когда расширение полосы приводит к уменьшению мощности, вытекает, что пропускная способность канала при любой полосе, занимаемой сигналом, не может превысить некое предельное значение. Наличие этого предела означает, что для передачи одного бита информации при любой полосе необходима энергия сигнала, превышающая некий порог:From the analysis of such an exchange [3], when the expansion of the band leads to a decrease in power, it follows that the channel capacity for any band occupied by the signal cannot exceed a certain limiting value. The presence of this limit means that for the transmission of one bit of information for any band, a signal energy exceeding a certain threshold is required:

$${Р}_{с}{Т}_{1с}>N_O/{\log }_{2}e=N_O\cdot \ln 2=0,693{\text{ N}}_{\text{O}},(2)$$

$$R_{\mathrm{from}}{T}_{\mathrm{one}\mathrm{from}}>N_O/{\log }_{2}e=N_O\cdot \ln 2=0,693{\text{N}}_{\text{O}},(2)$$

где Т_1с - время передачи одного бита, а;where T _1s is the transmission time of one bit, and;

N_O - спектральная плотность мощности шума.N _O is the spectral density of the noise power.

Кроме того, из теории информации известно [1], [4], [5], что системы связи с малой базой сигнала работают лишь при входном отношении сигнал-шум больше единицы (ρ²>0 дБ). Поэтому задача повышения помехоустойчивости в широкополосных системах связи решается за счет применения сигналов сложной формы, называемых шумоподобными, у которых произведение ширины спектра F на длительность Т, именуемое базой В, много больше единицы. Связь между входным и выходным отношением сигнал-шум определяется, как отмечал Л.Е.Варакин в своем труде, выражением, имеющим фундаментальное значение:In addition, it is known from information theory [1], [4], [5] that communication systems with a small signal base work only when the input signal-to-noise ratio is greater than unity (ρ ² > 0 dB). Therefore, the task of increasing the noise immunity in broadband communication systems is achieved through the use of complex waveforms called noise-like, in which the product of the spectrum width F by the duration T, referred to as base B, is much greater than unity. The relationship between the input and output signal-to-noise ratios is determined, as L.E. Varakin noted in his work, by an expression of fundamental importance:

$$h^2=B{\rho }^{\text{2}},(3)$$

$$h^2=B{\rho }^{\text{2}},(3)$$

где ρ²=Р_с/Р_п;where ρ ² = P _s / P _p ;

Р_п - мощности ШПС и помехи на входе;R _p - power SHPS and interference at the input;

h² - отношение сигнал-шум на выходе приемника.h ² - signal-to-noise ratio at the output of the receiver.

Современные системы связи с ШПС имеют базу В=10⁴÷10⁶ [1] и обеспечивают хорошую электромагнитную совместимость, высокую помехозащищенность, помехоустойчивость, скрытность, кодовое разделение абонентов, позволяют успешно бороться с многолучевым распространением радиоволн, измерять координаты подвижных объектов, более эффективно по некоторым критериям используют частотный диапазон и позволяют вести передачу информации, когда уровень шума в канале существенно превосходит уровнь сигнала.Modern communication systems with SHPS have a base of B = 10 ⁴ ÷ 10 ⁶ [1] and provide good electromagnetic compatibility, high noise immunity, noise immunity, stealth, code separation of subscribers, allow you to successfully deal with multipath propagation of radio waves, measure the coordinates of moving objects, more efficiently some criteria use the frequency range and allow information to be transmitted when the noise level in the channel significantly exceeds the signal level.

Целью предложенного решения является достижение (повышение) такого уровня отношения сигнал-шум, который необходим декодеру для полного и достоверного извлечения всей информации, заложенной в переданном сигнале. Для разных сигналов и видов модуляции требуется свой уровень сигнал-шум [1], [4]. Так как на входе приемного устройства часто этот уровень является ниже требуемого, то необходимо его повышение до нужного соотношения.The aim of the proposed solution is to achieve (increase) a level of signal-to-noise ratio, which is necessary for the decoder to fully and reliably extract all the information inherent in the transmitted signal. Different signals and types of modulation require their own signal-to-noise level [1], [4]. Since at the input of the receiving device this level is often below the required level, it is necessary to increase it to the desired ratio.

Для этой цели используется явление, названное «принципом затухания помехи» (ПЗП) и описанное в ряде публикаций [6], [7]. Теоретической основой ПЗП является теорема A.M.Ляпунова, которая утверждает, что всегда когда случайная величина образуется в результате сложения большого числа независимых случайных величин с конечными дисперсиями, закон распределения этой случайной величины оказывается практически нормальным законом [8], и "Закон больших чисел", утверждающий, что при достаточно общих условиях с увеличением числа суммируемых случайных величин среднее арифметическое их суммы стремится к среднему арифметическому математических ожиданий и в бесконечности перестает быть случайным. Применение ПЗП требует выполнения всего двух операций - суммирования и синхронизации полезного сигнала перед суммированием, и соответственно для извлечения информации коррелятор в заявленном решении не используется.For this purpose, a phenomenon called the “principle of interference attenuation” (PZP) and described in a number of publications [6], [7] is used. The theoretical basis of the PPP is AM Lyapunov's theorem, which states that whenever a random variable is formed as a result of adding a large number of independent random variables with finite variances, the distribution law of this random variable turns out to be almost normal law [8], and the "Law of large numbers", which states that under fairly general conditions, with an increase in the number of random variables summed, the arithmetic mean of their sum tends to the arithmetic mean of mathematical expectations and to infinity ty is no longer random. The use of a PPP requires only two operations — summing and synchronizing the useful signal before summing, and accordingly, the correlator is not used in the claimed solution to extract information.

С понятием синхронизации тесно связана корреляционная функция, которая количественно показывает степень синхронизации двух и более сигналов. Как для белого шума, так и для ШПС автокорреляционная функция имеет ярко выраженный пик на интервале корреляции [1]. Количественной мерой независимости случайных отсчетов или случайных процессов, от которой зависит скорость затухания помехи, принято считать значения корреляционной функции. Так отсчеты, разделенные интервалами времени, кратными 1/(2F), оказываются взаимно некоррелированными, что для гауссовских величин означает независимость, где F - верхняя частота спектра полосы сигнала. В то же время значения случайных процессов являются некоррелированными только при неограниченной полосе частот. Любое ограничение частотной полосы вносит определенную корреляцию в процесс и независимыми друг от друга можно считать только значения процесса, отстоящие друг от друга как минимум на интервал корреляции равный 1/(2F) [3].The correlation function, which quantitatively shows the degree of synchronization of two or more signals, is closely related to the concept of synchronization. For both white noise and SHPS, the autocorrelation function has a pronounced peak in the correlation interval [1]. Values of the correlation function are considered to be a quantitative measure of the independence of random samples or random processes, on which the noise decay rate depends. So, the samples separated by time intervals that are multiples of 1 / (2F) turn out to be mutually uncorrelated, which for Gaussian values means independence, where F is the upper frequency of the spectrum of the signal band. At the same time, the values of random processes are uncorrelated only with an unlimited frequency band. Any limitation of the frequency band introduces a certain correlation into the process and only values of the process that are at least 1 / (2F) apart from each other can be considered independent of each other [3].

Чем лучше синхронизированы два сигнала, тем менее независимыми они оказываются, и тем меньше они в соответствии с ПЗП затухают при суммировании. Полученная эмпирически «кривая затухания» для белого шума с большой точностью аппроксимируется выражением $$f(n)=1/(2\cdot \sqrt{n})$$

. Все другие виды помех с распределением вероятности, отличающимся от белого шума, затухают по более крутой асимптотической кривой.The better the two signals are synchronized, the less independent they turn out to be, and the less they, according to the PPP, decay when summed. The empirically obtained “attenuation curve” for white noise is approximated with high accuracy by the expression $$f(n)=\mathrm{one}/(2\cdot \sqrt{n})$$

. All other types of interference with a probability distribution other than white noise decay along a steeper asymptotic curve.

Опираясь на обязательное требование, которое предполагает сохранение передаваемой сигналом информации в результате обмена его параметров на отношение сигнал-шум, из формулы Шеннона получаем уравнение для объема сигнала [4] до и после преобразования, повышающего уровень сигнал-шум:Based on the mandatory requirement, which involves preserving the information transmitted by the signal as a result of exchanging its parameters for the signal-to-noise ratio, from the Shannon formula we obtain the equation for the signal volume [4] before and after the conversion that increases the signal-to-noise level:

$$T_1\cdot F_1\cdot \log (1+h^2)=T_2\cdot F_2\cdot \log (1+q^2),(4)$$

$$T_{\mathrm{one}}\cdot F_{\mathrm{one}}\cdot \log (\mathrm{one}+h^2)=T_2\cdot F_2\cdot \log (\mathrm{one}+q^2),(\mathrm{four})$$

где h² - отношение Р_с/Р_ш на выходе радиотехнической системы (РТС), аwhere h ² - the ratio of P _with / R _W the output of the radio system (RTS), and

q² - соответственно на входе РТС.q ² - respectively, at the input of the RTS.

При удалении от источника сигнала отношение сигнал-шум падает, а РТС выполняет обратное преобразование, повышающее отношение С/Ш до уровня выше критического, при котором декодер выдает достоверную информацию, переданную источником. Из (4) вытекают три варианта получения выигрыша в отношении С/Ш при передаче одного и того же объема сигнала со входа на выход РТС. Выигрыш можно получить при изменении (увеличении) либо времени передачи либо полосы сигнала, либо и того и другого одновременно. При этом из формул (1) и (4) не вытекает конкретный технический способ, при помощи которого можно получить такой выигрыш. Заявляемый способ [5] является таким решением и положен в основу формирования структура ЧВМ.When moving away from the source of the signal, the signal-to-noise ratio drops, and the RTS performs the inverse transformation, increasing the S / N ratio to a level higher than critical, at which the decoder provides reliable information transmitted by the source. From (4) there are three options for obtaining a gain with respect to S / N when transmitting the same signal volume from the input to the output of the RTS. A gain can be obtained by changing (increasing) either the transmission time of either a signal band, or both at the same time. Moreover, formulas (1) and (4) do not imply a specific technical method by which such a gain can be obtained. The inventive method [5] is such a solution and is the basis for the formation of the structure of the FMS.

Для применения ПЗП в качестве механизма повышения уровня С/Ш, то есть для выполнения операции суммирования необходимо обеспечить требуемое число слагаемых компонентов входного сигнала. Для чего на передающей стороне в качестве ЧВЭ применяют модулированный любым способом несущий сигнал, и таким ЧВЭ заполняется частично или полностью вся матрица. На приемной стороне после выполнения процедуры синхронизации выполняется обратное преобразование, все ЧВЭ, относящиеся к одной ЧВМ, накапливаются в массиве данных и затем суммируются в один выходной сигнал.To use the PPP as a mechanism to increase the S / N level, that is, to perform the summation operation, it is necessary to provide the required number of components of the input signal. Why, on the transmitting side, a carrier signal modulated in any way is used as a CVE, and such a CVE partially or completely fills the entire matrix. On the receiving side, after the synchronization procedure is completed, the inverse transformation is performed, all the NEC related to one FMS are accumulated in the data array and then summed into one output signal.

Структурная схема предлагаемого устройства показана на фиг. 1-а. Передаваемая информация поступает на вход формирователя ЧВМ ШПС. При этом она может закладываться в дискретном виде как в структуру ЧВЭ, так и в структуру ЧВМ. В качестве ЧВЭ может, например, выступить последовательность радиоимпульсов, которая непосредственно содержит передаваемую информацию. При аналоговой передаче информации модулирование несущей частоты ЧВЭ также не приводит к усложнению формирователя ЧВМ. Один из частных случаев, когда за счет расширения полосы, выделенной под ШПС, модулирующий сигнал сжимается во времени в кратное число раз и его затем повторяют такое же число раз для использования ПЗП, описан в [5, 7]. Матрица в таком варианте вырождается во временную ЧВМ с одним каналом и может применяться как для дискретного, так и аналогового вида передачи.The block diagram of the proposed device is shown in FIG. 1-a. The transmitted information is fed to the input of the ShVM ShVM shaper. At the same time, it can be embedded in a discrete form both in the structure of the FEM and in the structure of the FMS. For example, a sequence of radio pulses that directly contains the transmitted information can act as a CVE. In analogue information transmission, modulation of the carrier frequency of the CVE also does not lead to complication of the former of the FSM. One of the special cases when, due to the expansion of the band allocated for SHPS, the modulating signal is compressed in time by a multiple number of times and then it is repeated the same number of times to use the PPP, described in [5, 7]. The matrix in this embodiment degenerates into a temporary FWM with one channel and can be used for both discrete and analog transmission.

С выхода формирователя сигналы поступают на канальные передатчики, которые могут быть как одноканальными на каждый канал ЧВМ, так и многоканальными в зависимости от структуры применяемой ЧВМ. Множество передатчиков необходимо для гальванической развязки каналов ЧВМ, так как при передаче на одну антенну происходит их автоматическое суммирование и за счет различия периодов несущих в каждом канале в действие вступает явление ПЗП, которое приводит к непредсказуемому затуханию выходного колебания. В качестве антенны в устройстве подразумевается преобразователь электрического сигнала в те или иные колебания выбранной среды распространения волны (электромагнитные, оптические, акустические либо гидроакустические). На приемной стороне за счет применения широкополосного приемника уместно применение одной антенны. Антенны передатчиков соответственно необходимо разнести в пространстве, чтобы исключить их возможное взаимное негативное влияние. Либо для электромагнитного варианта передачи применить известную конструкцию, показанную на фиг. 1-б, когда антенны сопрягаются сторонами, формирующими в направлении друг друга несущественное излучение.From the output of the shaper, the signals are fed to channel transmitters, which can be either single-channel to each channel of the computer, or multi-channel, depending on the structure of the applied computer. Many transmitters are necessary for the galvanic isolation of the channels of the FMM, since when transmitting to one antenna, they are automatically summed up and due to the difference in the periods of the carriers in each channel, the PZP effect comes into play, which leads to unpredictable attenuation of the output oscillation. As an antenna in the device, it is meant a converter of an electric signal into certain vibrations of a selected wave propagation medium (electromagnetic, optical, acoustic or hydroacoustic). On the receiving side, through the use of a broadband receiver, the use of a single antenna is appropriate. Antennas of transmitters, respectively, must be separated in space in order to exclude their possible mutual negative influence. Or, for the electromagnetic transmission variant, apply the known construction shown in FIG. 1-b, when the antennas are mated by the sides, forming in the direction of each other insignificant radiation.

На приемной стороне с выхода широкополосного усилителя сигнал поступает на полосовые фильтры по одному на каждый канал ЧВМ, которые конструктивно могут находиться в составе приемника. Возможен вариант применения цифрового программно- управляемого многоканального фильтра. Далее информация поступает на устройство переноса спектров каждого канала в единую полосу частот для последующего суммирования. В результате чего должна произойти синхронизация несущих частот в каждом канале. Так как для варианта амплитудной модуляции несущей полезная информация закладывается в огибающую, то вместо переноса спектров значительно проще произвести выпрямление (взятие по модулю) всех несущих. Синхронизация при этом будет достигаться по модулирующей частоте (по огибающей), что подтвердил вычислительный эксперимент согласно [5]. Аналогичная картина наблюдается при угловой модуляции [5], когда перед суммированием выполняется операция демодуляции. Как подтверждает вычислительный эксперимент, после проведения суммирования модулирующий сигнал с ростом числа слагаемых уверенно восстанавливается.On the receiving side, from the output of the broadband amplifier, the signal is fed to bandpass filters, one for each channel of the FMM, which structurally can be part of the receiver. A variant of using a digital program-controlled multi-channel filter is possible. Further, the information arrives at the device for transferring the spectra of each channel into a single frequency band for subsequent summation. As a result, synchronization of carrier frequencies in each channel should occur. Since for the variant of amplitude modulation of the carrier useful information is laid in the envelope, instead of transferring the spectra, it is much easier to rectify (take in absolute value) all the carriers. In this case, synchronization will be achieved by the modulating frequency (along the envelope), which was confirmed by the computational experiment according to [5]. A similar picture is observed with angular modulation [5], when a demodulation operation is performed before summation. As the computational experiment confirms, after summing, the modulating signal is confidently restored with an increase in the number of terms.

Затем выборки оцифрованных канальных ЧВЭ накапливаются в массиве данных до полного формирования принятой ЧВМ, после чего все ЧВЭ суммируются в единый выходной сигнал. Суммирование приводит к повышению уровня сигнал-шум на выходе до значения, необходимого для достоверного декодирования ШПС. На фиг. 2-а показан вариант квадратной ЧВМ размером 8 на 8 с количеством ЧВЭ, дающим максимальное число комбинаций различающихся друг от друга ЧВМ. Оно равно функции числа комбинаций n из N, возведенного в степень N, где N есть максимальное количество ЧВЭ вдоль стороны матрицы. На фиг. 2-а n равно половине N.Then, the samples of the digitized channel CVEs are accumulated in the data array until the received FSM is completely formed, after which all the CVEs are summed into a single output signal. The summation leads to an increase in the signal-to-noise level at the output to the value necessary for reliable decoding of the BSS. In FIG. 2-a shows a variant of a square computer with a size of 8 by 8 with the number of CVEs giving the maximum number of combinations of different computer systems. It is equal to the function of the number of combinations n of N raised to the power of N, where N is the maximum number of CVEs along the side of the matrix. In FIG. 2-a n is equal to half N.

Очевидно, что столь большое множество формируемых ЧВМ в простейшем варианте, когда ЧВЭ ничем не модулируется, может быть разбито на подмножества, предназначенные как для формирования алфавитов, с помощью которых ведется передача информации, так и для организации многоканальной либо адресной связи. Для такого варианта на той же фигуре показан процесс суммирования ЧВЭ после их предварительного выпрямления. Суммирование показано двухступенчатым, в том смысле что число ЧВЭ может превышать технически предельное число входов одного из сумматоров. Возможно применение суммирования с накоплением одновременно с приемом ЧВМ.Obviously, such a large number of formed FWMs in the simplest form, when FWM is not modulated by anything, can be divided into subsets intended both for the formation of alphabets by means of which information is transmitted, and for organizing multichannel or address communication. For this option, the same figure shows the process of summing the CVE after their preliminary straightening. The summation is shown as two-stage, in the sense that the number of CVEs can technically exceed the maximum number of inputs of one of the adders. It is possible to use accumulation summation at the same time as receiving a FM.

На фиг. 2-б показан вариант суммирования, когда часть или вся полезная информация закладывается в ЧВЭ, показан пример с дискретной амплитудной модуляцией четырех бит информации. Суммирование здесь происходит минимум в 2 этапа. На первом из них суммируются все выборки, принадлежащие одному радиоимпульсу (биту). На втором этапе по фиг. 2-а суммируются все результаты первого этапа со всех ЧВЭ матрицы и также относящиеся к одному и тому же биту кодовой последовательности. Кроме того, последовательность двоичных импульсов, входящих в ЧВЭ, на передающей стороне может подвергаться преобразованиям, например перестановкам, для повышения скрытности с последующим восстановлением на приемной стороне. С этой же целью на передающей стороне может применяться искусственное зашумление, передача ложных ЧВЭ и тому подобное.In FIG. 2-b shows the variant of summation, when part or all of the useful information is laid down in the CVE, an example with discrete amplitude modulation of four bits of information is shown. Summation here occurs in at least 2 stages. The first of them summarizes all the samples belonging to one radio pulse (bit). In a second step of FIG. 2-a summarizes all the results of the first stage from all the CVE matrix and also related to the same bit of the code sequence. In addition, the sequence of binary pulses entering the CVE on the transmitting side can undergo transformations, for example, permutations, to increase stealth and then restore to the receiving side. For the same purpose, on the transmitting side, artificial noise can be applied, transmission of false CVEs and the like.

Таким образом, применение ПЗП и гальванической развязки частотных каналов на передающей стороне позволяет:Thus, the use of PZP and galvanic isolation of frequency channels on the transmitting side allows you to:

- достичь более эффективного использования выделенной полосы частот, ЧВМ может полностью заполняться ЧВЭ;- to achieve a more efficient use of the allocated frequency band, the FDM can be completely filled with FEC;

- применять в качестве ЧВЭ традиционные виды модуляции, обладающие низкой помехоустойчивостью, закладывать в них передаваемую информацию;- apply traditional types of modulation with low noise immunity as a FEM, to lay the transmitted information in them;

- что в сочетании с использованием для демодуляции ШПС сумматора вместо коррелятора позволяет декодировать принимаемый сигнал, даже когда все ЧВЭ по размаху существенно меньше уровня шумов;- which, in combination with the use of an adder for demodulating the NPS instead of the correlator, allows you to decode the received signal, even when all the NECs are significantly less in magnitude than the noise level;

- существенно упростить в целом устройство формирования, передачи и приема ЧВМ ШПС,- significantly simplify the whole device for the formation, transmission and reception of FWM ShPS,

- и, как показано в [2], на один - два порядка уменьшить базу ШПС в сравнении с известными системами ШПС при одинаковом входном отношении сигнал-шум.- and, as shown in [2], one or two orders of magnitude reduce the base of HPS in comparison with the known HPS systems with the same input signal-to-noise ratio.

Кроме вышеописанных новых узлов, используемых в заявленном устройстве, на фиг. 1-а и 2-а показан известный в устройствах с ШПС блок синхронизации, который запускает процесс декодирования передаваемой информации. До начала передачи на приемной стороне происходит постоянное декодирование вероятных ЧВМ с накоплением некоторого их количества. После чего выполняется сравнение принятого с некоторой заранее известной эталонной последовательностью по критерию отсутствия ошибок в декодированной принятой последовательности ЧВМ. Положительный результат означает начало передачи данному адресату некой информации, по ее завершении также может передаваться служебный символ. Такой последовательностью ЧВМ, например, может служить индивидуальный позывной принимающей стороны либо другая информация, известная лишь двум сторонам информационного обмена.In addition to the above-described new nodes used in the claimed device, in FIG. 1a and 2a, a synchronization block is known in devices with an SHPS, which starts the decoding process of the transmitted information. Prior to the start of transmission, the receiver side is constantly decoding probable FWMs with the accumulation of a certain number of them. After that, the comparison is made with a predetermined reference sequence according to the criterion of the absence of errors in the decoded received sequence of the FM. A positive result means the beginning of the transfer of certain information to this addressee, and upon its completion, a service symbol can also be transmitted. Such a sequence of FMs, for example, can be the individual callsign of the receiving party or other information known only to two parties to the information exchange.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На фиг. 1-а показана структурная схема предлагаемого устройства. Передаваемая информация поступает на вход формирователя ЧВМ ШПС. При этом она может закладываться в дискретном виде в структуру ЧВМ, а в аналоговом или дискретном - в структуру ЧВЭ. С выхода формирователя сигналы поступают на канальные передатчики, которые могут быть как одноканальными на каждый канал ЧВМ, так и многоканальными в зависимости от структуры применяемой ЧВМ. Множество передатчиков необходимо для гальванической развязки каналов ЧВМ, так как при передаче на одну антенну происходит их автоматическое суммирование и, как следствие, из-за различия периодов несущих в каждом канале непредсказуемое затухание выходного колебания. В качестве антенн в устройстве подразумевается преобразователь электрического сигнала в те или иные колебания выбранной среды распространения (электромагнитные, оптические, акустические либо гидроакустические).In FIG. 1-a shows a structural diagram of the proposed device. The transmitted information is fed to the input of the ShVM ShVM shaper. At the same time, it can be embedded in a discrete form in the structure of a computer, and in analog or discrete - in the structure of a computer. From the output of the shaper, the signals are fed to channel transmitters, which can be either single-channel to each channel of the computer, or multi-channel, depending on the structure of the applied computer. Many transmitters are necessary for the galvanic isolation of the channels of the FMM, since when transmitting to one antenna, they are automatically summed up and, as a result, due to the difference in the periods of the carriers in each channel, unpredictable attenuation of the output oscillation. As the antennas in the device is meant a converter of an electrical signal into certain oscillations of a selected propagation medium (electromagnetic, optical, acoustic or hydroacoustic).

На приемной стороне с выхода широкополосного усилителя сигнал поступает на полосовые фильтры по одному на каждый канал ЧВМ, далее на устройство переноса спектров каждого канала в единую полосу частот (перенос можно заменить демодулированием) перед последующим суммированием. Далее выборки ЧВЭ накапливаются в массиве данных до полного формирования принятой ЧВМ, после чего все ЧВЭ суммируются в единый выходной сигнал. В составе блока декодирования также используется блок синхронизации, необходимость которого обоснована в теории ШПС, и который запускает процесс декодирования передаваемой информации в момент получения заранее известной последовательности из нескольких ЧВМ. Блок МП объединяет три других «Блока декодирования ЧВМ ШПС» и выполняет программные алгоритмические функции, то есть как микропроцессор или многоядерный процессор.On the receiving side, from the output of the broadband amplifier, the signal is fed to bandpass filters, one for each channel of the FMM, then to the device for transferring the spectra of each channel into a single frequency band (the transfer can be replaced by demodulation) before subsequent summation. Further, the samples of the CVE are accumulated in the data array until the complete formation of the adopted FSM is completed, after which all the CVEs are summed into a single output signal. As part of the decoding unit, a synchronization unit is also used, the need for which is justified in the theory of SHPS, and which starts the process of decoding the transmitted information at the time of obtaining a predetermined sequence of several computers. The MP unit combines the other three “PCB ChVM decoding units” and performs programmatic algorithmic functions, that is, as a microprocessor or multi-core processor.

На фиг. 1-б показана известная конструкция разнесения радиоантенн передатчиков, необходимая для исключения их возможного взаимного негативного влияние, когда антенны сопрягаются сторонами, формирующими в направлении друг друга несущественное излучение.In FIG. 1-b shows the well-known diversity design of radio antennas of transmitters, necessary to exclude their possible mutual negative influence, when the antennas are mated by the sides, forming in the direction of each other insignificant radiation.

На фиг. 2-а показан вариант квадратной ЧВМ, сформированной в результате накопления ЧВЭ в массиве данных, размером 8 на 8, с количеством ЧВЭ, дающим максимальное число комбинаций различающихся друг от друга ЧВМ. Для первых четырех столбцов показан процесс суммирования ЧВЭ после их предварительного выпрямления. Подразумевается, что информация закладывается в множество формируемых ЧВМ, когда ЧВЭ ничем не модулируется, путем организации в нем (множестве) подмножеств, предназначенных как для формирования алфавитов, с помощью которых ведется передача информации, так и для организации многоканальной либо адресной связи. Суммирование показано двухступенчатым, в том смысле что число ЧВЭ может превышать технически предельное число входов одного из сумматоров. С выхода сумматора получаемые ЧВЭ отводятся в массив данных блока синхронизации для их последующего сравнения с эталонной последовательностью импульсов.In FIG. 2-a shows a variant of a square computer-generated computer generated as a result of the accumulation of CVE in a data array of size 8 by 8, with the number of CVEs giving the maximum number of combinations of different CVMs. For the first four columns, the process of summing the NEC after their preliminary straightening is shown. It is understood that the information is embedded in the set of generated FWMs, when the FEC is not modulated by anything, by organizing in it (the set) subsets intended both for the formation of alphabets with the help of which information is transmitted, and for organizing multichannel or address communication. The summation is shown as two-stage, in the sense that the number of CVEs can technically exceed the maximum number of inputs of one of the adders. From the output of the adder, the obtained CVEs are transferred to the data array of the synchronization block for their subsequent comparison with the reference pulse sequence.

На фиг. 2-б показан вариант суммирования, когда часть или вся полезная информация закладывается в ЧВЭ, показан пример с дискретной амплитудной модуляцией четырех бит информации. Суммирование здесь происходит минимум в два этапа. На первом из них суммируются все выборки, принадлежащие одному радиоимпульсу (биту). На втором этапе по фиг. 2-а суммируются все результаты первого этапа со всех ЧВЭ декодируемой матрицы и также относящиеся к одному и тому же биту кодовой последовательности.In FIG. 2-b shows the variant of summation, when part or all of the useful information is laid down in the CVE, an example with discrete amplitude modulation of four bits of information is shown. Summation here occurs in at least two stages. The first of them summarizes all the samples belonging to one radio pulse (bit). In a second step of FIG. 2-a summarizes all the results of the first stage from all the CVE of the decoded matrix and also related to the same bit of the code sequence.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Одним из малоизвестных средств, используемым для достижения заявленных технических результатов, относится принцип затухания помехи (ПЗП), который требует выполнения над принятыми сигналами последовательно двух операций: синхронизации всех временных отрезков полезного сигнала, подлежащих суммированию, и собственно суммирования. Теоретические основы, на которых он базируется, приведены в разделе «Раскрытие изобретения». Там же и в кратком описании фигур приводится состав и описание работы заявленного устройства. Более глубокий анализ требует разъяснения особенностей еще одного варианта исполнения устройства в целом.One of the little-known means used to achieve the claimed technical results is the principle of interference attenuation (PZP), which requires two operations to be performed on received signals sequentially: synchronization of all time segments of the useful signal to be summed and summation itself. The theoretical basis on which it is based is given in the "Disclosure of the Invention" section. In the same place and in a brief description of the figures, the composition and description of the operation of the claimed device is given. A deeper analysis requires an explanation of the features of another embodiment of the device as a whole.

Так, при закладке передаваемой информации в структуру ЧВМ, существенно возрастает сложность обработки информации на принимающей стороне. Это связано с тем, что после операции суммирования необходимо путем сравнения определять, какой из символов алфавита передан в данной ЧВМ. И в случае отрицательного результата произвести повторное суммирование ЧВЭ из той же ЧВМ для другого символа алфавита, повторяя цикл до получения положительного результата сравнения. Задача декодирования ЧВМ ШПС в этом варианте может быть несколько упрощена путем уменьшения размера алфавита или при одновременном увеличении кодового расстояния применением в алфавите вместо сравнения корреляционного варианта декодирования. Очевидно, что при таком подходе не все заявленные технические результаты могут быть достигнуты.So, when laying the transmitted information in the structure of the computer, the complexity of processing information on the receiving side increases significantly. This is due to the fact that after the summation operation it is necessary by comparison to determine which of the characters of the alphabet is transmitted in this computer. And in case of a negative result, re-summarize the CVE from the same CVM for another symbol of the alphabet, repeating the cycle until a positive comparison result is obtained. The task of decoding FWM PCBs in this embodiment can be somewhat simplified by reducing the size of the alphabet or while increasing the code distance by using the alphabet instead of comparing the correlation version of decoding. Obviously, with this approach, not all claimed technical results can be achieved.

Выход из этого тупика кроется в другом варианте кодирования входной информации. Вся полезная информация должна быть вложена в структуру ЧВЭ. А множество ЧВМ, образуемое при ее не полном заполнении ЧВЭ, использовать лишь для организации многоканальной связи и адресной организации в данной системе передачи ШПС. Такой подход открывает еще одну возможность, которую можно организовать в системе. Она заключается в том, что когда расстояние между сторонами обмена достаточно мало,и влияние помех или электронного противодействия со стороны вероятного противника оказывается несущественным, количество передаваемых ЧВЭ в матрице может быть сокращено вплоть до единицы. Такое решение проблемы кодирования информации можно назвать адаптивным в отношении выбора для связи канала или алфавита, содержащего большее или меньшее количество бит, приходящихся на один символ. Последнее, очевидно, требует введения обратной связи между приемопередатчиками по служебному каналу и набор команд.The way out of this deadlock lies in another variant of encoding the input information. All useful information should be embedded in the structure of the NEC. And a lot of FMS, formed during its incomplete filling of FEC, should be used only for organizing multichannel communication and addressing organization in this ShPS transmission system. This approach opens up another opportunity that can be organized in the system. It lies in the fact that when the distance between the sides of the exchange is small enough, and the influence of interference or electronic counteraction from the side of the probable adversary is insignificant, the number of transmitted NECs in the matrix can be reduced up to one. Such a solution to the problem of encoding information can be called adaptive with respect to the choice for communication of a channel or alphabet containing more or fewer bits per character. The latter, obviously, requires the introduction of feedback between transceivers over the service channel and a set of commands.

Обращаясь еще раз к структуре заявленного устройства, необходимо конкретизировать два понятия, используемых в предыдущем описании. Под передатчиками подразумевается устройство сопряжения формирователя ЧВМ с антенной, обеспечивающее в ней требуемую мощность, а под антенной - преобразователь электрического сигнала в колебание субстанции, посредством которой происходит благодаря распространению волнового процесса передача информации от передающей стороны к принимающей. Кроме того, как показал вычислительный эксперимент, при формировании и приеме ЧВМ частотные полосы и временные интервалы, во время которых передается ЧВЭ, могут частично перекрываться, обеспечивая тем самым небольшое улучшение качества связи.Turning again to the structure of the claimed device, it is necessary to specify two concepts used in the previous description. By transmitters is meant a device for coupling a shaper of a FMM to an antenna providing the required power in it, and by an antenna is a converter of an electric signal into a substance oscillation, through which information is transmitted from the transmitting side to the receiving side due to the propagation of the wave process. In addition, as a computational experiment has shown, in the formation and reception of FWM, the frequency bands and time intervals during which the FWM is transmitted can partially overlap, thereby providing a slight improvement in the quality of communication.

Список литературыBibliography

1. Л.Е.Варакин. Системы связи с шумоподобными сигналами. М., Радио и связь, 1985 г., с. 5-8, 184-190.1. L.E. Varakin. Communication systems with noise-like signals. M., Radio and Communications, 1985, p. 5-8, 184-190.

2. Труды научно-технической конференции «Научно-технические проблемы в промышленности…» 2012 г., 29-31 мая 2012 года, Санкт-Петербург. Формирование частотно-временной матрицы ШПС. Попик П.И. (с. 54).2. Proceedings of the scientific and technical conference "Scientific and technical problems in industry ..." 2012, May 29-31, 2012, St. Petersburg. The formation of the time-frequency matrix of the SHPS. Popik P.I. (p. 54).

3. Электронный учебник по Теории информации. 3.5. Пропускная способность непрерывного канала. Теорема Шеннона. Выражения (3.55), (3.53) и комментарии к ним. http://www.msclub.ce.cctpu.edu.ru/bibl/TI/t1.htm.3. An electronic textbook on Information Theory. 3.5. Continuous Channel Bandwidth. Shannon's theorem. Expressions (3.55), (3.53) and comments on them. http://www.msclub.ce.cctpu.edu.ru/bibl/TI/t1.htm.

4. К.Ю.Аграновский, Д.Н.Златогурский, В.Г.Киселев. Радиотехнические системы. М., Высшая школа, 1979 г., с. 60, выражение (2.1).4. K.Yu. Agranovsky, D.N. Zlatogursky, V.G. Kiselev. Radio engineering systems. M., High School, 1979, p. 60, expression (2.1).

5. Заявка PCT/RU2011/000296 от 27.04.2011, приоритет от 04.05.2010 г. www.wipo.int/pctdb опубликовано под № WO 2011/145981.5. Application PCT / RU2011 / 000296 of 04/27/2011, priority of 05/04/2010, www.wipo.int/pctdb published under No. WO 2011/145981.

6. Инновационная деятельность в Вооруженных силах Российской Федерации: Труды Всеармейской научно-практической конференции 25-26 ноября 2010 года. - СПб.: ВАС, 2010-568 стр. Принцип затухания помехи. Попик П.И. (с. 373).6. Innovation in the Armed Forces of the Russian Federation: Proceedings of the All-Army Scientific and Practical Conference November 25-26, 2010. - SPb .: YOU, 2010-568 p. The principle of noise attenuation. Popik P.I. (p. 373).

7. Заявка на изобретение №2010117813/09 от 04.05.2010 г. Дата публикации 27.12.2010 г. Бюллетень №36.7. Application for invention No. 201017813/09 dated 05/04/2010; Date of publication 12/27/2010; Bulletin No. 36.

8. Описана Центральная предельная теорема Ляпунова о сходимости и его же теорема «Закон больших чисел», http://www.exponenta.ru/educat/class/courses/tv/theme0/10.asp.8. The central limit Lyapunov convergence theorem and its theorem “The Law of Large Numbers”, http://www.exponenta.ru/educat/class/courses/tv/theme0/10.asp, are described.

Claims (5)

1. Устройство формирования, передачи, приема и декодирования частотно-временной матрицы (ЧВМ) шумоподобного сигнала (ШПС), состоящее из на передающей стороне формирователя ЧВМ, подключенного к нему передатчика, устройства сопряжения с антенной, и самой антенны;на приемной стороне из приемной антенны и широкополосного приемника, подключенного к ней, демодулятора ЧВМ, включающего в себе массив памяти, предназначенный для накопления частотно-временных элементов (ЧВЭ) матрицы, и блока синхронизации, запускающего процесс демодуляции, отличающееся тем, что
на передающей стороне в формирователе ЧВМ для модуляции всех ЧВЭ используют один и тот же фрагмент информационного сигнала, подлежащего передаче, при этом модуляция несущей осуществляется любым видом модуляции и способом, а для одновременной передачи ЧВЭ, принадлежащих одному и тому же временному интервалу, к выходу формирователя подключают соответствующее количество канальных передатчиков, которые осуществляют роль гальванической развязки частотных каналов ЧВМ, при этом антенны передатчиков для исключения их возможного взаимного негативного влияние разносят в пространстве либо сопрягают в единую конструкцию сторонами, которые формируют в направлении друг друга несущественное излучение,
на приемной стороне к выходу широкополосного приемника подключают соответствующее числу каналов ЧВМ количество полосовых фильтров, через которые канальные ЧВЭ поступают в блок переноса их спектров в единую полосу, после чего, будучи синхронизированными по несущей частоте, ЧВЭ оцифровываются и поступают для накопления в массив данных, включенный в состав демодулятора ЧВМ, после заполнения всей матрицы ЧВЭ выполняется суммирование всех полученных ЧВЭ со всей ЧВМ в единый выходной сигнал.1. A device for generating, transmitting, receiving and decoding a time-frequency matrix (PCM) of a noise-like signal (SHPS), consisting of a transmitter on the transmitting side of the PCM, an antenna coupled to it, and the antenna itself; on the receiving side of the receiving an antenna and a broadband receiver connected to it, a FM demodulator, which includes an array of memory designed to store the time-frequency elements (CVE) of the matrix, and a synchronization unit that starts the demodulation process, distinguishing her that
on the transmitting side, in the PCM driver, the same fragment of the information signal to be transmitted is used to modulate all the CVEs, while the carrier is modulated by any type of modulation and method, and for the simultaneous transmission of CVEs belonging to the same time interval to the output of the driver connect the appropriate number of channel transmitters, which play the role of galvanic isolation of the frequency channels of the FM, while the antennas of the transmitters to exclude their possible mutual The negative influence is carried in space or conjugated into a single design by the parties, which form an insignificant radiation in the direction of each other,
on the receiving side, the number of bandpass filters corresponding to the number of channels of the HFM is connected to the output of the broadband receiver, through which the channel HFVs enter the unit for transferring their spectra into a single band, after which, being synchronized by the carrier frequency, the HFVs are digitized and fed for storage to the data array included in the composition of the FMU demodulator, after filling in the entire matrix of CVEs, the summation of all the obtained CVEs with the entire CVM into a single output signal is performed. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что полезная информация на передающей стороне полностью закладывают лишь в ЧВЭ, которыми заполняется ЧВМ, а при частичном заполнении матрицы возникающее множество комбинаций заполнения ЧВМ используют в устройстве лишь для системы адресации или многоканальной передачи.2. The device according to claim 1, characterized in that the useful information on the transmitting side is completely laid down only in the FEC with which the FMS is filled, and when the matrix is partially filled, the resulting many combinations of Filling of the FMS are used in the device only for the addressing system or multi-channel transmission. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что при формировании и приеме ЧВМ частотные полосы и временные интервалы, во время которых передается ЧВЭ, частично перекрываются, обеспечивая тем самым небольшое улучшение качества связи.3. The device according to p. 1, characterized in that during the formation and reception of the FM frequency bands and time intervals during which the HEC is transmitted partially overlap, thereby providing a slight improvement in communication quality. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что для синхронизации несущих, поступающих с разных каналов ЧВМ, используют либо блок переноса спектров в единую полосу, либо блок демодуляции ЧВЭ, обеспечивая тем самым синхронизацию по модулирующему сигналу, которая должна выполняться перед суммированием всех ЧВЭ в единый выходной сигнал.4. The device according to claim 1, characterized in that for synchronizing the carriers coming from different channels of the FMM, either a spectral transfer unit in a single band or a CVM demodulation unit is used, thereby ensuring synchronization by a modulating signal, which must be performed before summing all ChVE into a single output signal. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что множество комбинаций заполнения ЧВМ разбивают на подмножества и в зависимости от влияния естественных и/или преднамеренных помех для передачи адаптивно выбирается то из них, которое по своему количеству ЧВЭ, содержащихся в матрице, соответствует помеховой обстановке. 5. The device according to claim 1, characterized in that the plurality of combinations of filling the FMS are divided into subsets and, depending on the influence of natural and / or intentional interference for transmission, adaptively selects one of them that corresponds to the interference by the number of FEC contained in the matrix setting.

Images