генератор квазиортогонально-противоположных сигналов

Формула изобретения

Генератор квазиортогонально-противоположных сигналов, содержащий регистр, блок инверсии знака, блок памяти, элемент ИЛИ, тактовый генератор, m-разрядный двоичный счетчик по модулю В и сумматор по модулю (В-1), где В - число импульсов в формируемом квазиортогонально-противоположном сигнале, причем первый одноразрядный и второй m-разрядный информационные входы регистра служат двумя управляющими входами устройства, первый одноразрядный выход регистра соединен с управляющим входом блока инверсии знака, второй m-разрядный выход регистра и информационный выход m-разрядного двоичного счетчика по модулю В поразрядно соединены соответственно с m-разрядными входами первого и второго слагаемых сумматора по модулю (В-1), m-разрядный выход суммы сумматора по модулю (В-1) поразрядно соединен с m-разрядным адресным входом блока памяти, выход блока памяти соединен с первым входом элемента ИЛИ, выход элемента ИЛИ соединен с информационным входом блока инверсии знака, выход блока инверсии знака служит выходом устройства, а счетный вход m-разрядного двоичного счетчика по модулю В соединен с выходом тактового генератора, отличающийся тем, что m-разрядный двоичный счетчик по модулю В выполнен с выходом переполнения, регистр выполнен с увеличенной емкостью с третьими n-разрядными информационными входом и выходом, блок памяти выполнен с увеличенной емкостью с n-разрядным вторым адресным входом, причем выход переполнения m-разрядного двоичного счетчика по модулю В соединен с вторым входом элемента ИЛИ и с управляющим входом записи регистра, третий n-разрядный информационный выход регистра соединен поразрядно с вторым n-разрядным адресным входом блока памяти, а третий n-разрядный информационный вход регистра служит третьим управляющим входом устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в радиотехнических системах связи с шумоподобными сигналами, применяющих цифровые методы формирования больших систем сложных сигналов [1,2] . При заданной базе кодирования В генерируемые устройством L=B² полярно-манипулированных сигналов с величиной неортогональности R=1/5 могут быть использованы в качестве исходных для синтеза больших систем квазиортогональных фазоманипулированных сигналов (аналогично [4], с.37; [3]) или частотно-фазоманипулированных сигналов.

Известен ряд устройств [2,5,6], которые могут быть использованы для формирования систем временных сложных сигналов периода Т с величиной неортогональности (максимальным уровнем пика взаимокорреляционной функции) между любой парой сигналов _i(t) и _j(t)



Для полярно-манипулированных сигналов на основе заданных групповых помехоустойчивых (B, L, d)-кодов с кодовым расстоянием d и мощностью L=2^k кодовых слов величина неортогональности рассчитывается по формуле

R =|(B-2d)/B|. (2)

Как правило (см. [1], с.101-102), системы ортогональных сигналов с R=0 строились на основе (В,L=B,d=B/2)-кодов матриц Адамара. Например, для формирования системы ортогональных сигналов может быть использован генератор функций Уолша [5], содержащий блок памяти и группы сумматоров по модулю два. Недостаток известного устройства [5] заключается в малом объеме системы сигналов L=B, обуславливающий очень низкую относительную скорость передачи информации

r=]log₂L[/B, (3)

где ]х[ - целая часть числа х.

В [3] на основе нелинейного кода с большей мощностью вместо строк матрицы Адамара, формируемой по рекуррентному правилу Сильвестра (см.[7], с.53) предложен ансамбль квазиортогональных сигналов с параметрами В=3^m и L=4^m. При приемлемых взаимокорреляционных свойствах R=1/3 недостаток известного ансамбля [3] заключается в малом числе сигналов L<B, обуславливающий малую относительную скорость r=2m/3^m.

На основе кодов Боуза-Чоудхури (см. [2], с.254, табл.6.4) построены в общем виде инвариантные к циклическому сдвигу системы временных фазоманипулированных сигналов с параметрами L=(B+1)², R=0,26 при базах кодирования В= 127 и В=255. Недостаток известных систем сигналов [2], некоторые из которых эквивалентны системам Гольда, заключается в том, что при малых значениях базы кодирования В<100 величина неортогональности между любой парой сигналов составляет R>1/2.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является генератор ортогонально-противоположных сигналов [6], содержащий регистр, тактовый генератор, m-разрядный счетчик по модулю В с первым логическим элементом И признака переполнения (обнуления) счетчика, сумматор по модулю (В-1), где В- число импульсов в формируемом квазиортогонально-противоположенном сигнале, блок памяти, второй логический элемент И, признака единичного сигнала "11...1", логический элемент ИЛИ сборки сигнала, блок инверсии знака, причем одноразрядный и m-разрядный информационные входы регистра являются управляющими входами устройства, а одноразрядный выход регистра соединен с управляющим входом блока инверсии знака, m-разрядный выход регистра соединен поразрядно с входами первого слагаемого сумматора и с входами второго элемента И, выход второго элемента И соединен с первым входом элемента ИЛИ, счетный вход счетчика соединен с выходом тактового генератора, информационный выход счетчика соединен поразрядно с входами второго слагаемого сумматора и с входами первого элемента И переполнения счетчика, выход первого элемента И соединен с управляющим входом записи регистра и с вторым входом элемента ИЛИ, m-разрядный вход блока памяти поразрядно соединен с выходом суммы сумматора, выход блока памяти соединен с третьим входом логического элемента ИЛИ, выход элемента ИЛИ соединен с информационным входом блока инверсии знака, выход блока инверсии знака является выходом устройства.

Недостаток известного генератора ортогонально-противоположных сигналов [6] заключается в малом объеме формируемой системы сигналов L=2В, обуславливающий низкую относительную скорость r=(m+1)/2^m.

Решаемая задача - расширение функциональных возможностей устройства путем увеличения числа генерируемых сигналов квазиортогонально-противоположной системы L=B² при приемлемой величине неортогональности R=1/3 и незначительном объеме используемой памяти.

Поставленная задача достигается тем, что в устройство, содержащее регистр, блок инверсии знака, блок памяти, элемент ИЛИ, тактовый генератор, m-разрядный двоичный счетчик по модулю В и сумматор по модулю (В-1), где В - число импульсов в формируемом квазиортогонально-противоположном сигнале, причем первый одноразрядный и второй m-разрядный информационные входы регистра служат двумя управляющими входами устройства, первый одноразрядной выход регистра соединен с управляющим входом блока инверсии знака, второй m-разрядный выход регистра и информационный выход m-разрядного двоичного счетчика по модулю В поразрядно соединены соответственно с m-разрядными входами первого и второго слагаемых сумматора по модулю (В-1), m-разрядный выход суммы сумматора по модулю (В-1) поразрядно соединен с m-разрядным адресным входом блока памяти, выход блока памяти соединен с первым входом элемента ИЛИ, выход элемента ИЛИ соединен с информационным входом блока инверсии знака, выход блока инверсии знака служит выходом устройства, а счетный вход m-разрядного двоичного счетчика по модулю В соединен с выходом тактового генератора, отличающийся тем, что m-разрядный двоичный счетчик по модулю В выполнен с выходом переполнения, регистр выполнен увеличенной емкости с третьими n-разрядными информационными входом и выходом, блок памяти выполнен увеличенной емкостью с n-разрядным вторым адресным входом, причем выход переполнения m-разрядного двоичного счетчика по модулю В соединен с вторым входом элемента ИЛИ и с управляющим входом записи регистра, третий n-разрядный информационный выход регистра соединен поразрядно с вторым n-разрядным адресным входом блока памяти, а третий n-разрядный информационный вход регистра служит третьим управляющим входом устройства.

В предлагаемом устройстве в качестве двоичных кодовых последовательностей системы квазиортогонально-противоположных сигналов используются кодовые слова двоичного нелинейного (12,144,4)-кода, исправляющего одну ошибку. Для системы сигналов с параметрами В=12, L=B2=144, R=1/3 132 кодовых слова группового (12,144,4)-кода задаются в виде блоков комбинаторной схемы Штейнера S(5,6,12) (см.[7], 2.7, с.78-79, теорема 30). 12 добавочных кодовых слов (см.[7], рис.2.16) состоят из 6 кодовых слов веса "2" с кодовым расстоянием d= 4 и им противоположных (инверсных, дополненных по модулю два). Для уменьшения объема используемой памяти в предлагаемом устройстве применяется циклическая комбинаторная схема Штейнера S(5,6,12) (см.[8], с. 83, табл. 3.18, схема сверху 3), задаваемая базовыми блоками:

(,0,1,2,6,9), (,0,1,2,3,5), (,0,1,2,7,8), (4)

(,0,1,3,4,7), (,0,1,3,6,8), (,0,1,5,7,9) все по mod II,

и им противоположными (инверсными) в двоичном представлении:

(3,4,5,7,8,10), (4,6,7,8,9,10), (3,4,5,6,9,10), (5)

(2,5,6,8,9,10), (2,4,5,7,9,10), (2,3,4,6,8,10) все по mod II.

В устройстве в качестве шести добавочных кодовых последовательностей веса "2" используется базовый блок:

(0,6) mod 12 периода 6, (6)

и используется шесть им противоположных кодовых слов веса "10":

(1,2,3,4,5,7,8,9,10,11) mod 12 периода 6. (7)

Существенное отличие предлагаемого устройства от известного описания [7] (12,144,4)-кода заключается в том, что применение циклической t-схемы Штейнера позволяет хранить в блоке памяти только базовые кодовые последовательности, относительно которых остальные сигналы могут быть вычислены в реальном масштабе времени при помощи сумматора по модулю (В-1). В сравнении с прототипом [6] предлагаемое устройство позволяет генерировать ортогонально-противоположную систему сигналов на основе базового блока комбинаторной 3-схемы Адамара, а для увеличения общего числа сигналов квазиортогонально-противоположной системы вместо двух добавочных кодовых последовательностей единичного "11. ..1" и нулевого "00...0" сигналов в устройстве используется 12 добавочных кодовых последовательностей веса "2" и "10". В сравнении с рекуррентным правилом построения квазиортогонального ансамбля сигналов [3] предлагаемое устройство при одинаковых взаимокорреляционных свойствах R=1/3 позволяет увеличить объем системы сигналов до значения квадрата базы кодирования L=B². По сравнению с системами временных фазоманипулированных сигналов объемом L=(B+1)² на основе кодов Боуза-Чоудхури [2] с базой кодирования В= 31, В=63 и величиной неортогональности R>0,5 предлагаемое устройство позволяет генерировать систему сигналов объемом L=B² с лучшими взаимокорреляционными свойствами R=1/3. Таким образом, предлагаемое устройство существенно отличается от известных (2,3,6,7]. Варианты реализации генератора квазиортогональных сигналов рассматривались в неопубликованных материалах заявки [9,10].

Функциональная схема генератора квазиортогонально-противоположных сигналов представлена на фиг.1, на фиг.2 - временные диаграммы работы устройства, на фиг.3 - вид 22-х из 144-х генерируемых сигналов. Базовые кодовые последовательности (12,144,4)-кода, записанные в блок памяти, представлены в табл. 1. Работа генератора характеризуется табл.2.

Генератор квазиортогонально-противоположных сигналов содержит регистр 1 составного номера сигнала (У1, У2, У3), блок 2 инверсии знака, m-разрядный двоичный счетчик 3 по модулю В, сумматор 4 по модулю (В-1), блок 5 памяти, логический элемент ИЛИ 6 сборки сигнала, тактовый генератор 7, причем одноразрядный информационный вход У1 регистра 1 является входом инверсии полярно-манипулированных сигналов квазиортогональной системы на противоположное значение, n-разрядный У2 и m-разрядный У3 информационные входы регистра 1 являются соответственно входами выбора базовой кодовой последовательности сигнала и ее циклического смещения (фазового сдвига У3=0,Т-2), а одноразрядный выход регистра 1 соединен с управляющим входом блока 2 инверсии знака, m-разрядный выход регистра 1 и информационный выход счетчика 3 поразрядно соединены соответственно с входами первого и второго слагаемых сумматора 4, m-разрядный выход суммы сумматора и n-разрядный выход регистра 1 поразрядно соединены с соответствующими группами адресных входов блока 5 памяти, выход блока 5 памяти соединен с первым входом логического элемента ИЛИ 6, счетный вход счетчика 3 соединен с выходом тактового генератора 1, выход переполнения счетчика 3 соединен с управляющим входом записи регистра 1 и с вторым входом элемента ИЛИ 6, выход элемента ИЛИ 6 соединен с информационным входом блока 2 инверсии знака, выход блока 2 инверсии знака является выходом устройства.

Входной регистр 1 предназначен для приема и хранения цифровых кодов составного номера (У1, У2, У3) на весь период времени формирования сложного сигнала:

- код У1(0,1} определяет вид полярно-манипулированного сигнала в прямом или противоположном коде;

код У2{ 0,1,....,7} осуществляет выбор одной из 8 базовых двоичных кодовых последовательностей (12,144,4)-кода, записанных в блок 5 памяти;

- код У3{0,1,....,10} при m=4 и В=12, поступающие на второй вход регистра 1, задает номер бита в выбранной базовой кодовой последовательности, начиная с которого циклически считывается двоичный код из блока 5 памяти. Прием двоичного кода с входной шины устройства осуществляется под воздействием логического уровня "1", поступающего на управляющий (синхронизирующий) вход записи регистра 1. Смена информации на выходной шине регистра 1 происходит по отрицательному перепаду на управляющем входе записи, то есть в начале каждого периода. При наличии на управляющем входе записи логического уровня "0" регистр 1 осуществляет хранение принятой информации на все время Т генерирования сложного сигнала.

Блок 2 инверсии знака позволяет получить выходной сигнал в прямом или противоположном коде в зависимости от управляющего логического уровня на одноразрядном выходе регистра 1. Кроме того, в функции блока 2 переход от логических уровней "0","1" к аналоговым значениям "+1", "-1".

Счетчик 3, подсчитывающий тактовые импульсы от генератора 7, задает период Т=2Т_иВ квазиортогонально-противоположных сигналов. В конце каждого периода по логическому состоянию "1011" счетчика 3 вырабатывается логический уровень "1" на выходе переполнения (обнуления) счетчика 3. Этот сигнал управляет приемом входной информации в регистр 1, причем запись осуществляется в начале каждого периода.

Сумматор 4 по модулю (B-1) из текущих состояний счетчика 3 по модулю и постоянного (в течение периода Т) смещения, заданного с m-разрядного выхода регистра 1, вырабатывает цикл адресов считывания битов в базовой кодовой последовательности из блока 5 памяти.

В блок 5 памяти записаны двоичные кодовые последовательности базовых блоков циклической комбинаторной схемы Штейнера S(5,6,12), представленные в первых шести строках табл.1, и две базовых двоичных кодовых последовательности для формирования 12 добавочных сигналов квазиортогонально-противоположной системы, состоящей всего из 144 сигналов с величиной неортогональности R=1/3.

Элемент ИЛИ 6 выполняет функцию логической сборки сигналов, объединяя в одну кодовую последовательность (В-1) бит с выхода блока 5 памяти и логический уровень "1" с выхода переполнения счетчика 3 в конце каждого периода Т.

Генератор квазиортогонально-противоположных сигналов работает следующим образом.

При включении источника питания (на фиг.1 не показано) подается импульс на установку в логическое состояние "1011" счетчика 3 по модулю В=12 и на установку в единичное состояние двухтактных D-триггеров входного регистра 1, поэтому с одноразрядного выхода регистра 1 логический уровень "1" поступает на управляющий вход блока 2 инверсии знака. С выхода переполнения счетчика 3 логический уровень "1" поступает на управляющий вход регистра 1, переводя его в режим приема (n+m+1)-разрядного цифрового кода номера сигнала, и через элемент ИЛИ 6 на информационный вход блока 2 инверсии знака, поэтому на выходе устройства устанавливается положительный потенциал единичной амплитуды "+1".

Тактовый генератор 7 начинает вырабатывать импульсы с периодом следования Т_и, -которые поступают на счетный вход двоичного счетчика 3. По окончании первого тактового импульса счетчик 3 из состояния (В-1) переходит в нулевое состояние, при этом логический уровень "0" с выхода обнуления счетчика 3 поступает на управляющий вход регистра 1, переводя его в режим хранения входного кода составного номера (У1,У2,У3) на все время Т=ВТ_и генерирования сложного сигнала. Логический уровень "0" или "1" в соответствии входным кодом У1 с одноразрядного выхода регистра 1 поступает на управляющий вход блока 2 инверсии знака для генерирования полярно-манипулированного сигнала квазиортогональной системы в прямом или противоположном (инверсном) коде. С n-разрядного выхода регистра 1 на соответствующую группу адресных входов блока 5 памяти поступает двоичный код У2{0,1,....,7}, в соответствии со значением которого осуществляется выбор одной из строк матричного блока 5 памяти, то есть осуществляется выбор одной из 8 двоичных базовых кодовых последовательностей (12,144,4)-кода. С m-разрядного выхода регистра 1 на вход первого слагаемого сумматора 4 по модулю (В-1) поступает двоичный код У3{ 0,1, ...,10}, в соответствии со значением которого на все время генерирования квазиортогонального сигнала задается постоянное смещение-номер бита в выбранной базовой кодовой последовательности.

Под воздействием каждого тактового импульса счетчик 3 из состояния -1 переходит в состояние , цифровой код которого поступает на вход второго слагаемого сумматора 4. С выхода сумматора 4 вычисленная сумма

h = (У3+)mod(B-1) (8)

поступает на соответствующую группу m адресных входов блока 5 памяти. По порядковому номеру h осуществляется выбор столбца в матричном блоке 5 памяти. Значение бита, находящегося на пересечении У2-й строки и h-го столбца поступает через элемент ИЛИ 6 на информационный вход блока 2 инверсии знака. Таким образом, под воздействием (В-1) тактовых импульсов происходит последовательное циклическое считывание всех (В-1) бит предварительно выбранной по коду У2 двоичной кодовой последовательности, начиная с бита по порядковому номеру У3 и заканчивая битом по порядковому номеру (У3-1) по mod(B-1).

При переходе счетчика 3 в состояние (В-1) логический уровень "1" с выхода переполнения счетчика 3 поступает на управляющий вход записи регистра 1 и через элемент ИЛИ 6 на информационный вход блока 2 инверсии знака. В зависимости от значения бита "0" или "1" на управляющем входе блока 2, на выходе устройства на время Т устанавливается уровень напряжения единичной амплитуды отрицательной "-1" или положительной "+1" полярности соответственно. Входной регистр 1 переходит в режим приема нового (n+m+1)-раз рядного двоичного кода - номера квазиортогонально-противоположного сигнала. Под воздействием следующих синхроимпульсов цикл работы устройства повторяется.

На временных диаграммах работы устройства (фиг.2) показано, что счетчик 3 по модулю В (диаграммы сверху 10,11,...,13) осуществляет деление частоты следования тактовых импульсов, поступающих на его счетный вход с выхода тактового генератора 7 (диаграмма 9). Если счетчик 3 переходит в состояние (В-1), то на его выходе переполнения устанавливается логический уровень "1" (диаграмма 14), и регистр 1 осуществляет прием с входной восьмиразрядной шины устройства двоичных цифровых кодов У1,У2,У3 (диаграммы 1,2,...,8). По окончании следующего тактового импульса счетчик 3 переходит в нулевое состояние, на его выходе переполнения устанавливается логический уровень "0", и регистр 1 переходит в режим хранения входных кодов У1,У2,У3 на все время Т генерирования сложного сигнала (диаграммы 15,16,....,22). За время Т на входах регистра 1 подготавливаются новые цифровые коды У1,У2,У3 (диаграммы 1,2,...,8). В процессе формирования сложного сигнала на выход элемента ИЛИ 6 (диаграмма 24) логический уровень "1" поступает с выхода блока 5 памяти (диаграмма 23) и с выхода переполнения счетчика 3 (диаграмма 14). В зависимости от выходного сигнала элемента ИЛИ 6 (диаграмма 24) и от выходного сигнала одноразрядного выхода регистра 1 (диаграмма 15) формируется выходной полярно-манипулированный сигнал генератора (диаграмма 25) в прямом или противоположном коде.

В табл.2 символы "+" и "-" обозначают импульсы единичной амплитуды положительной и отрицательной полярности соответственно. В зависимости от 8 бит входного кода (У1,У2,У3) (в табл.2 колонки с 2-й по 9-ю) генерируется 1 из 144 двенадцатиимпульсных полярно-манипулированных сигналов (в табл.2 колонки с 10-й по 21-ю). Аналогично прототипу [6] предлагаемое устройство позволяет генерировать относительно базовой двоичной кодовой последовательности 3-схемы Адамара, записанной в первой строке табл.1, ортогонально-противоположные сигналы, представленные на фиг.3 и в первых 22-х строках табл.2. В табл. 2 первые одиннадцать сигналов _i(t), _j(t) (фиг.3(А)) образуют ортогональную систему, так как в соответствии с формулой (1) R=0. Вторые одиннадцать сигналов _i(t), _j(t) (фиг. 3 (Б), в табл.2 строки; 12,13,..,22) также образуют ортогональную систему с R=0. Сигналы _i(t) и _i(t) противоположны при Квазиортогональную систему с величиной неортогональности R=1/3 образуют 66 полярно -манипулированных сигналов на основе комбинаторной циклической схемы Штейнера S(4,5,11) (в табл.2 строки 1,2,..,11; 23,24,..,33; 43,44,..,55; 67,68,..,77; 89,90,..,99; 111,112,..,121) и 6 добавочных сигналов (в табл.2 строки 133,134,..,137; 143).

Преимущество предлагаемого устройства по сравнению с описанным в [3] рекуррентным правилом построения квазиортогональных сигналов заключается в большем объеме L системы сигналов при одинаковых максимальных уровнях пика взаимокорреляционной функции R=1 /3 и более чем в два раза меньшей базе кодирования В. Например, в [3](см.с.69) приведен ансамбль квазиортогональных сигналов с параметрами В=27, L=64 и R=1/3. Предлагаемое устройство при меньшей базе кодирования В (12 вместо 27) и при одинаковой величине неортогональности генерирует с учетом противоположных более чем в два раза больше сигналов L (144 вместо 64), что повышает относительную скорость передачи информации r в соответствии с выражением (4) от 0,22 до 0,58.

Кроме того, предлагаемое устройство может использоваться в двух режимах эксплуатации. В режиме передачи информации со скоростью r=0,58 квазиортогонально-противоположными сигналами с величиной неортогональности R=1/3, и аналогично прототипу [6] в режиме передачи информации, для сильнозашумленных каналов связи со скоростью r=1/3 ортогонально-противоположными сигналами с R=0.

Аналогично [3] на основе предлагаемого устройства могут быть построены системы сигналов с параметрами L=B, R=1/3 при базе кодирования В=12^m и r= 7m/12^m, где m- целое число.

Источники информации

1. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985.- 383 с.

2. Системы подвижной радиосвязи / И.М. Пышкин, И.И. Дежурный, В.Н. Талызин, Г.Д. Чвилев; Под ред. И.М. Пышкина.- М.: Радио и связь, 1986.- 328 с.

3. Моисеева Г. Г. Построение больших производных систем ФМ сигналов // Электросвязь, 1977, 6, с. 67-72.

4. Портной С. Л. , Тузков А.Е., Щаев О.И. Зарубежная радиоэлектроника, 1968, 1 с. 26-43.

5. Чеголин П.М., Садыков Р.Х., Шаренков А.В., Золотой С.А. Генератор функций Уолша / Авторское свидетельство СССР 1324018, МКИ G 06 F 1/02.

6. Гриченко Н. И., Лысаковский А.Ф., Шевчук П.С. Генератор ортогонально-противоположных сигналов / Авторское свидетельство СССР 1697071 A1, МКИ G 06 F 1/02.

7. Мак-Вильямс У.Д, Слоэн Н.Дж.А. Теория кодов, исправлящих ошибки.- М.: Связь, 1979.- 744 с.

8. Hanani H., Hartman A., Kramer E.S. On three-designs of small order. Disсret Mathematics 45(1983), 75-93. (North-Holland Publishing Compаny).

9. Гриненко Н.И., Лысаковский A.Ф., Величко Г.А., Оплачко Г.А. Генератор квазиортогональных сигналов / Заявка ВНИИГПЭ 4769688/24 (149052) от 13.12.89; п/о 16.07.90 по форме 3/20 от 20.06.90.

10. Байков В. , Шелобанова Н. Заключение экспертизы отдела 24 ВНИИГПЭ: форма 3/20, 242675 от 17.09.90.