СИСТЕМА РАДИОСВЯЗИ СО СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫМИ СИГНАЛАМИ

Изобретение относится к системам радиопередачи и радиоприема закодированных визуальных, звуковых и других сообщений.

Известна система связи со сверхширокополосными сигналами [1], содержащая устройство приема и обработки передаваемой информации (УПОПИ), названное в функциональной схеме источником информации, выход которого связан с входом устройства кодирования информации (кодера источника), выход которого соединен со входом кодера канала, выход которого подключен к первому входу модулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора сверхширокополосных радиоимпульсов (ГСШРИ), а выход - с входом сверхширокополосного усилителя мощности (СШУМ), выход которого соединен со входом передающей антенны, а также содержащая приемную антенну, выход которой соединен с входом фильтра, выход которого связан с входом широкополосного усилителя (ШПУ), выход которого подключен к входу демодулятора, выход которого связан с входом приемника информации, называемого иначе устройством вывода информации (УВИ).

Данное устройство не обеспечивает высокую эффективность передачи и приема закодированной информации, так как использует типовой способ кодирования передаваемой информации с помощью временных расстановок излучаемых сверхширокополосных радиосигналов. Кроме того, эффективность работы системы [1] может снижаться за счет наложения на последовательность шумоподобных сигналов шумоподобных помеховых сигналов, искажающих передаваемую информацию.

Задачей изобретения является разработка более совершенной системы радиосвязи со сверхширокополосными сигналами, в которой обеспечивается более надежная защита передаваемой информации от помех.

Для решения указанной задачи в состав известной системы радиосвязи, включающей УВИ, УПОПИ, выход которого соединен со входом устройства кодирования информации (УКИ), а также включающей последовательно соединенные СШУМ и передающую антенну, последовательно соединенные приемную антенну, фильтр, ШПУ, предлагается дополнительно ввести блок формирования сверхширокополосных видеоимпульсов (БФСШВИ), генератор сверхширокополосных радиоимпульсов, амплитудный детектор (АД), блок фильтрации и усиления (БФУ), компаратор, RS-триггер, блок декодирования информации (БДИ), содержащий блок временной селекции (БВС), блок критериальной обработки (БКО), кольцевой буфер с параллельной выгрузкой (КБПВ) и синхронизатор, а в состав УКИ предлагается ввести интерфейс, буфер данных и кодер. При этом предлагается выход УПОПИ соединить с входом интерфейса (входящего в состав УКИ), выход которого связать со входом буфера данных (также входящего в состав УКИ), выход которого соединить с входом кодера (также входящего в состав УКИ), выход которого подключить к входу БФСШВИ, выход которого связать с входом ГСШРИ, выход которого подключить ко входу СШУМ, а также предлагается выход ШПУ подключить к входу АД, выход которого связать с входом БФУ, выход которого подключить к входу компаратора, выход которого соединить с первым входом RS-триггера, второй вход которого подключить к второму выходу синхронизатора, а выход - к входу синхронизатора, первый выход которого подключить к КБПВ, выход которого с помощью s-канальной шины (где s - число используемых кодовых символов) подключить к входу БКО, выход которого соединить с входом БВС, выход которого связать с входом УВИ.

За счет этого дополнения и изменения схемы новая система радиосвязи сможет более надежно и качественно передавать закодированную визуальную или звуковую информацию.

Функциональная схема предлагаемой системы радиосвязи со сверхширокополосными сигналами показана на фиг. 1. Предлагаемая система радиосвязи со сверхширокополосными сигналами (радиолиния передачи данных) включает последовательно включенные УПОПИ 1, интерфейс 3, буфер данных 4, кодер 5, БФСШВИ 6, ГСШРИ 7, СШУМ 8, передающую антенну 9, последовательно соединенные приемную антенну 10, фильтр 11, ШПУ 12, АД 13, БФУ 22, компаратор 14, RS-триггер 15, синхронизатор 17, КБПВ 18, БКО 19, БВС 20, УВИ 21. При этом блоки 3, 4, 5 структурно входят в состав УКИ 2, а блоки 17-20 структурно входят в состав БДИ 16. Кроме того, второй выход синхронизатора 17 подключен к второму входу RS-триггера 15.

Система радиосвязи со сверхширокополосными сигналами работает следующим образом. Устройство приема и обработки передаваемой информации 1 воспринимает с помощью WEB-камеры или микрофона необходимую информацию (сообщение) и далее с помощью электронно-вычислительной машины (ЭВМ) преобразует воспринятую информацию известными методами [2, 3] в пакеты цифровых данных. Пакеты цифровых данных представляют собой последовательности логических сигналов (нулей и единиц), в расстановке которых содержится информация о передаваемом сообщении. В виде таких пакетов данных цифровая информация, содержащая существо передаваемого сообщения, с выхода УПОПИ 1 поступает на вход УКИ 2, а именно - на вход интерфейса 3, предназначенного для выделения из всего объема подготовленной к передаче информации только той ее части, которая содержит ее сущность, и исключения так называемой служебной информации. С выхода интерфейса 3 цифровая информация поступает на вход буфера данных 4. Буфер данных 4 предназначен для временного хранения поступающих со скоростью порядка 100 Мбайт/с данных, которые воспринимаются затем кодером 5 с меньшей скоростью обработки и передачи (порядка 1,5 Мбайт/с). Буфер данных сохраняет в запоминающем устройстве пакеты данных и последовательно передает их на вход кодера 5. Кодер 5 предназначен для преобразования поступающих пакетов данных в последовательность логических уровней иного вида. Передаваемая информация разбивается на блоки по k символов, образующих кодовые слова. Каждое кодовое слово преобразуется в соответствии с кодовым алфавитом в последовательность из 2 m бит. В первых m бит содержится n логических единиц. Биты с (m+1)-го по 2 m-й содержат только логические нули. Кодовые последовательности различных кодируемых символов должны обладать минимально возможным значением взаимокорреляционной функции [4]. Так, при использовании кодового алфавита из двух символов (логического нуля и логической единицы) создаются и используются кодовые последовательности одинаковой длины, содержащие по десять логических единиц, отстоящих друг от друга на разное число отсчетов (например, на два и на десять положений, как будет в качестве примера продемонстрировано ниже). Пример одной из кодовых последовательностей, сформированной при использовании кодового алфавита, состоящего из двух символов, приведен на фиг. 2. Пример другой кодовой последовательности, полученной при использовании кодового алфавита, состоящего из двух символов, изображен на фиг. 3. Кодовые последовательности, одинаковые по содержанию, отличаются периодом расстановки логических единиц.

С выхода кодера 5 закодированная цифровая информация в виде последовательности логических уровней поступает на вход БФСШВИ 6. На выходе кодера 5 (являющегося выходом УКИ 2) сигналы логической единицы имеют длительность 10 нс (фиг. 4, эпюра 1). Блок 6 синхронно с передними фронтами этих цифровых видеоимпульсов формирует сверхширокополосные видеоимпульсы длительностью 1 нс (фиг. 4, эпюра 2), которые имеют ширину спектра 1 ГГц. Эти видеоимпульсы с выхода БФСШВИ 6 поступают на вход ГСПРИ 7, где заполняются колебаниями высокой частоты величиной в несколько гигагерц (фиг. 4, эпюра 3). Конкретное значение частоты заполнения зависит от предъявляемых к системе требований и не имеет принципиального значения. С выхода блока 7 радиоимпульсы длительностью 1 не поступают на вход СШУМ 8, в котором усиливаются по мощности до величины, достаточной для передачи сообщений на радиочастоте на заданное расстояние (фиг. 4, эпюра 4). Усиленные сверхширокополосные радиоимпульсы (СШПРИ), во временной расстановке которых содержится закодированное сообщение, поступают из СШУМ 8 в передающую антенну 9 и излучаются ею в направлении известного места расположения приемной антенны 10.

Приемная антенна 10 принимает излученные СШПРИ (фиг. 5, эпюра 1) и направляет их в фильтр 11, предназначенный для селекции полезных СШПРИ на фоне иных излучений, отражений радиоволн родственного смежного диапазона. С выхода фильтра 11 СШПРИ, несущие закодированное сообщение, поступают на малошумящий ШПУ 12, где усиливаются по мощности на величину, обеспечивающую нормальную работу последующих каскадов. Коэффициент усиления малошумящего ШПУ 12 должен быть не менее 20 дБ. Далее усиленные по мощности СШПРИ (фиг. 5, эпюра 2) поступают на вход АД 13, который ограничивает принятые сигналы снизу по уровню нуля (фиг. 5, эпюра 3). Далее ограниченные амплитудным детектором 13 сигналы с закодированным сообщением поступают на вход блока фильтрации и усиления 22, состоящего из низкочастотного Т-фильтра и видеоусилителя. Низкочастотный Т-фильтр выделяет огибающую поступающих сверхширокополосных (в соответствии со своей длительностью) ограниченных радиоимпульсов (фиг. 5, эпюра 4). А видеоусилитель увеличивает амплитуду видеоимпульсов до величины, обеспечивающей превышение сигналами заранее установленного порогового уровня (фиг. 5, эпюра 5). С выхода БФУ 22 видеосигналы поступают на вход компаратора 14. Компаратор 14 предназначен для формирования прямоугольных видеоимпульсов, длительность которых определяется длительностью превышения входными видеоимпульсами порога П вырабатывания компаратора. Передний фронт вырабатываемого компаратором меандра соответствует моменту превышения передним фронтом сверхширокополосного входного видеоимпульса порога П срабатывания (фиг. 5, эпюра 6). Задний фронт вырабатываемого меандра соответствует моменту, когда задний фронт усиленного сверхширокополосного видеоимпульса становится меньше порога П.

С выхода компаратора 14 прямоугольные сверхширокополосные видеоимпульсы поступают на вход RS-триггера 15, назначением которого является формирование прямоугольных импульсов нужной длительности и амплитуды (эпюра 7, фиг. 5), необходимых для обеспечения работы программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) [5], на которой построен БДИ 16. С выхода RS-триггера видеоимпульсы нужной длительности поступают на вход БДИ 16, а конкретнее - на вход синхронизатора 17. Синхронизатор предназначен для передачи в каждом такте БДИ 16 верного цифрового значения входного сигнала вне зависимости от его расположения относительно тактового импульса. Для этого каждый сигнал, соответствующий уровню логической единицы, задерживается на интервал, не превышающий периода повторения тактовых импульсов БДИ 16. Время задержки видеоимпульса τ_зад зависит от его расположения относительно фронта тактового импульса БДИ 16. В результате на выходе синхронизатора 17 сигнал логической единицы будет формироваться только в тех тактах, которым предшествуют тактовые периоды, содержащие видеоимпульсы логической единицы на входе синхронизатора 17. После восприятия синхронизатором 17 поступающего на его вход сигнала, соответствующего логической единице, вырабатывается видеоимпульс, который со второго выхода синхронизатора 17 подается на вход R (cбpoc) RS-триггера 15. Таким образом на первом выходе синхронизатора 17 будет сформирована цифровая последовательность данных, отвечающая как уровням принимаемых сигналов, так и тактовой частоте БДИ 16. Цифровые данные с синхронизатора 17 поступают на вход КБПВ 18, который предназначен для проверки совпадений поступающей последовательности цифровых данных с заранее установленными кодовыми последовательностями. Каждое значение поступающей на вход КБПФ 18 последовательности цифровых данных записывается в регистр со сдвигом. В КБПФ 18 происходит подсчет совпадений логических единиц последовательности цифровых данных с числом предполагаемых логических единиц, расставленных по закону, соответствующему определенной кодовой последовательности кодового алфавита η. Сопоставление со всеми кодовыми последовательностями кодового алфавита происходит одновременно (параллельно). Число выходов КБПФ 18 соответствует количеству кодовых символов s кодового алфавита. На каждом из выходов формируется сигнал µ, соответствующий числу совпадений логических единиц в двух сопоставляемых последовательностях. Передвигаясь по регистру, входная последовательность цифровых данных в определенный момент обеспечит формирование на одном из выходов КБПВ максимального значения выходного сигнала µ_макс. Значение µ на других выходах будет значительно меньше вследствие несовпадения расстановки логических единиц в сопоставляемых последовательностях. Например, при использовании кодового алфавита, содержащего два символа, кодируемых кодовыми последовательностями, показанными на фиг. 2 и фиг. 3, при последовательной передаче первого и второго кодового символа, на вход КБПФ 18 поступит последовательность логических значений, показанных на фиг. 6. Число выходов s КБПВ 18 в этом случае было бы равно двум. Результат сравнения поступивших данных, с первой кодовой последовательностью показан на фиг. 7, а со второй кодовой последовательностью - на фиг. 8. Данные с КБПВ 18, объединенные в s-канальную шину, поступают на БКО 19. У БКО 19 количество входов s равно количеству выходов КБПФ 18. Каждый s-й вход получает данные, соответствующие одному определенному кодовому символу. Для того чтобы кодовые символы были приняты в соответствии с кодовым алфавитом, каждый выход КБПВ 18, выводящий данные по конкретному кодовому символу, должен быть соединен с входом БКО 19, который воспринимает данные по этому же символу. В БКО 19 имеются две ячейки памяти. В первой ячейке хранится поступившее значение µ, а во второй - кодовый символ. В первоначальном состоянии в первую ячейку БКО 19 записывается 0. Кроме того, устанавливается порог защиты от ложных срабатываний, величина которого подбирается в зависимости от количества логических единиц в кодовых последовательностях. В БКО 19 происходит сравнение данных, поступивших из КБПВ 18 по s-канальной шине данных, представляющих собой натуральные числа. Величина поступающего числа определяется значением η, используемым в s-м канале. Затем находится максимальное из поступивших чисел γ. Если найденное максимальное значение γ превышает порог защиты от ложных срабатываний, а также превышает число, находящееся в первой ячейке памяти, то кодовый символ, соответствующий s-му входу, на который было передано максимальное значение γ, запоминается во второй ячейке памяти. Если за промежуток времени, равный 0,9 от длительности передачи кодового символа, не производилась запись числа в первой ячейке памяти, а число в ячейке больше порога защиты от ложных срабатываний, то на выход подается кодовый символ, хранящийся во второй ячейке памяти. В первую ячейку памяти при этом записывается γ, а соответствующий кодовый символ записывается во вторую ячейку памяти. Критерий определения принятого символа: кодовый символ считается принятым тогда и только тогда, когда число γ, пришедшее на соответствующий s-й вход БКО 19, превысило порог защиты от ложных срабатываний, а другие числа, пришедшие на остальные входы БКО 19 за промежуток времени, равный 0,9 от длительности передачи кодового символа, не превышает γ. Выявленные на основе данного критерия кодовые символы подаются на вход БВС 20. Для разделения принимаемых байт информации между собой устанавливается временной интервал τ, определяемый временем передачи одной кодовой последовательности [6]. В БВС 20 программным образом анализируются интервалы между принятыми символами с выхода БКО 19. Если временной интервал между принятыми символами превышает τ, а размер сформированного слова, предшествующего этому интервалу, не достиг объема в 1 байт, то информация, накопленная в принимаемом слове, в дальнейшей обработке не учитывается, т.е. обнуляется.

Если размер сформированного слова достиг объема в 1 байт до временного интервала между принятыми символами с БКО 19, превышающего τ, то принятый расшифрованный байт информации передается на вход УВИ 21. Блок 21 представляет собой ЭВМ, предназначенную для воспроизведения переданного сообщения в визуальной и звуковой форме. Блок декодирования информации 16, так же, как и УКИ 2, может быть реализован на базе программируемых логических интегральных схем [7]. Такое решение позволяет совершать все необходимые для кодирования и декодирования сообщений операции в одном чипе, избегая необходимости простоя канала в течение времени передачи данных из УПОПИ 1 в УКИ 2 и декодирования данных в БДИ 16.

Все вновь введенные элементы схемы являются известными или легко реализуемыми, что говорит об общей технической реализуемости предлагаемой системы радиосвязи. Например, БФСШВИ 6 может быть выполнен на микросхемах логических элементов И, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, НЕ и интегрирующей RC-цепочке, включенных согласно схеме формирователя коротких импульсов [8]. Генератор 7 может быть построен на полевом транзисторе согласно схеме генератора Пирса. В качестве передающей антенны 9 и приемной антенны 10 могут быть применены ТЕМ-рупоры [9]. В качестве фильтра 11 может быть использована микросборка BFCN-4100+ [10]. Широкополосный усилитель 12 может быть выполнен на микросхеме MGA86576 [11]. В качестве компаратора 14 может быть использована микросхема ADCMP553 [12]. RS-триггер 15 может быть построен на двух логических микросхемах ИЛИ-НЕ. Кодер 5 может быть реализован программно-аппаратно на ПЛИС xc6slx150 [13]. Кодеры широко распространены, принципы их работы рассмотрен в [14].

Из описания работы предложенной системы радиосвязи следует, что она действительно может более эффективно выполнять функцию передачи информации, ее защиты от помех в условиях малого отношения сигнал/шум в полосе частот, используемой создаваемым радиоканалом передачи и приема информации. В прототипе [1] для передачи информации используется длительность сверхширокополосного шумоподобного сигнала, которая на фоне шума определяется с ошибками. Предложенная система радиосвязи со сверхширокополосными сигналами лишена данного недостатка, так как для передачи информации достаточен прием только части передаваемых радиоимпульсов кодовой последовательности. Предложенная система радиосвязи может использоваться в качестве системы скрытой передачи текстовой, графической и мультимедийной информации.

Источники информации

1. http://www.cplire.ru/alt/InformChaosLab/papers/obzor.pdf/ - статья. Сверх-широкополосная беспроводная связь на основе динамического хаоса. Рисунок 7 (прототип).

2. http://www.protocols.ru/files/RFC/RfC-768.pdf - Перевод стандарта RFC 768 (передача данных по lan-сети udp-датаграммами).

3. http://tools.ietf.org/html/rfc768 - стандарт RFC 768 в оригинале (передача данных по lan-сети udp-датаграммами).

4. Жбанов И.Л., Силаев Н.В., Митрофанов Д.Г., Степанова Л.В. Формирование и обработка импульсных последовательностей с позиционным кодированием сверхширокополосных импульсов для высокоскоростных систем передачи данных // Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук, 2010. №64. С. 91-97.

5. http://www.electronics.ru/iournal/article/2788 - статья. ПЛИС Xilinx и цифровая обработка сигналов. Особенности, преимущества и перспективы.

6. Жбанов И.Л., Силаев Н.В., Митрофанов Д.Г. Асинхронно-кепстральный метод извлечения информации из закодированной последовательности коротких сверхширокополосных импульсов // Информационно-измерительные и управляющие системы, 2010. №10. Том 8. С. 7-13.

7. http://www.russianelectronics.ru/leader-r/review/2189/doc/49790/ - статья. Применение новых семейств FPGA Virtex-6 и Spartan-6 фирмы Xilinxs.

8. Солодовников Е.Н. Формирователи коротких импульсов // Радиомир, 2007. №3. С. 26-27.

9. http://www.zavant.ru/index.php/razrabotki/antreshetki/rupornie/

10. http://217.34.103.131/pdfs/BFCN-4100+.pdf/

11. http://www.efo.ru/coiTiponents/avago/catalog/files/pdf/AV02-0608EN.pdf

12. files/data_sheets/ADCMP551_552_553.pdf

13. _sheets/ds160.pdf

14. Кудряшов Б.Д. Теория информации: Учебник для вузов. - СПб.: Питер, 2009. С. 10-11, 73, 171.