помехоустойчивый способ выделения закодированной информации, передаваемой потребителю с помощью пачек сверхширокополосных импульсов

Формула изобретения

Помехоустойчивый способ выделения закодированной информации, передаваемой потребителю с помощью пачек сверхширокополосных импульсов, заключающийся в том, что с помощью источника передачи сообщений, называемого объектом X, из первой точки пространства приемопередатчиком излучают в свободное пространство последовательность сверхширокополосных импульсов, на пункте приема сообщений, называемом объектом Y, расположенном во второй точке пространства, осуществляют прием и усиление передаваемых сверхширокополосных импульсов, отличающийся тем, что для кодирования каждого бита информации используют по две пачки сверхширокополосных импульсов, причем длительность каждого импульса в пачке не меньше двух наносекунд, а форма каждого из импульсов описывается выражением

,

где А - амплитуда импульса; а - величина, характеризующая половину длительности импульса на уровне 0,707; t - текущее время, в каждую пачку сверхширокополосных импульсов включают L импульсов, при этом величина L составляет от 4 до 100 импульсов, импульсы внутри каждой пачки имеют одинаковое расположение, а сами импульсы в пачке располагают друг относительно друга на различных временных задержках t_z, каждая из которых не меньше половины длительности импульса _и и не больше длительности пачки импульсов, длительность каждой пачки сверхширокополосных импульсов определяют по формуле

,

где i - порядковый номер задержки между импульсами в пачке; t_zi - i-я задержка между импульсами в пачке, одна пачка сверхширокополосных импульсов из двух, используемых для передачи одного бита информации, называемая опорной, повторяется с периодом следования Т, где Т 4· _п и составляет порядка десятков наносекунд, а вторую пачку сверхширокополосных импульсов, называемую центральной, располагают между опорными пачками сверхширокополосных импульсов, при этом центральную пачку импульсов при кодировании логического нуля располагают на временной оси с опережением опорной пачки импульсов на Т2=0,4 Т, а при кодировании логической единицы центральную пачку импульсов располагают на временной оси с опережением опорной пачки импульсов на Т1=0,2 Т, при этом передаваемое закодированное сообщение, именуемое кодограммой, составляют на объекте Х из конечной последовательности логических нулей и единиц, закодированных в виде совокупности опорных пачек сверхширокополосных импульсов с периодом следования Т и центральных пачек сверхширокополосных импульсов, расположенных между опорными, принятую объектом Y кодограмму усиливают по мощности и оцифровывают, оцифрованные импульсы подают на вход электронно-вычислительной машины, в электронно-вычислительной машине по мере поступления данных с аналого-цифрового преобразователя осуществляют формирование генерального массива данных D, из элементов которого формируют z-e пробные массивы, где по мере формирования каждый вновь сформированный z-й пробный массив записывают в память электронно-вычислительной машины, в каждый z-й пробный массив включают значения оцифрованной последовательности сверхширокополосных пачек импульсов, ограниченной временным интервалом длительностью , причем величина , соответствующая z-му пробному интервалу _z и равна Т, в каждый z-й пробный массив включают по N отсчетов, извлекаемых из генерального массива D, начиная с z-го элемента массива D и заканчивая (z+N-1)-м элементом массива D, где число элементов N в пробном массиве определяют по формуле

N= ·F_д,

где F_д - частота дискретизации аналого-цифрового преобразователя, первый пробный массив формируют из элементов массива D с номерами с 1-го по N-й, второй пробный массив формируют из элементов массива D с номерами со 2-го по (N+1)-й, третий пробный массив формируют из элементов массива D с номерами с 3-го по (N+2)-й, и т.д. до Z-го пробного массива, причем Z-й пробный массив формируют из элементов массива D с номерами с Z-го по (Z+N-1)-й, от каждого z-го пробного массива, создают (L-1) копию: U_z1n, U_z2n U_z(L-1)n, каждую копию, представляющую массив данных, где число элементов N, записывают в память электронно-вычислительной машины, после этого каждый элемент первой копии z-го пробного массива, начиная с первого элемента, сдвигают на величину (N _z1+ _и·F_д), где N_z1=t _z1·F_д, а элементы с 1-го по [N_z1 + _и·F_д-1]-й и с [(N_z1 + _и·F_д)+N+1]-го по [N+(Dп- _и)·F_д]-й заполняют нулями, при этом каждый элемент второй копии z-го пробного массива, начиная с первого элемента, сдвигают на величину [N_z1+N _z2+2· _и·F_д], где N_z2=t _z2·F_д, a элементы с 1-го по [N_z1 +N_z2+2· _и·F_д-1]-й и с [(N_z1 +N_z2+2· _и·F_д)+N+1]-гo по [N+(Dп- _и)·F_д]-й заполняют нулями, каждый элемент (L-1) копии, z-го пробного массива, начиная с первого элемента, сдвигают на величину [(N_z1+N_z2 + +N_z(L-1))+(L-1)· _и·F_д], а элементы с 1-го по [(N_z1+N_z2+ +N_z(L-1))+(L-1)· _и·F_д-1]-й и с [(N_z1 +N_z2+ +N_z(L-1))+(L-1)· _и·F_д+N+1]-го по [N+(Dп- _и)·F_д]-й заполняют нулями, после этого исходный пробный z-й массив увеличивают на [(Dп- _и)·F_д] элементов, при этом элементы с [N+1]-го по [N+(Dп- _и)·F_д]-й заполняют нулями, полученные массивы складывают друг с другом и получают суммарный z-й пробный массив U_zsn, от полученного суммарного z-го пробного массива U_zsn длительностью N+(Dп- _и)·F_д, создают две копии U _zs1n, U_zs2n, в массиве U_zs1n обнуляют все элементы с [N+(Dп- _и)·F_д]-го по N-й, с [N-( _и·F_д)]-го по [N-(Т1)·F _д]-го, с [N-(Т1- _и)·F_д]-го по 1-й, в массиве U_zs2n обнуляют все элементы с [N+(Dп- _и)·F_д]-го по N-й, с [N-( _и·F_д)]-го по [N-(Т2)·F _д]-го, с [N-(Т2- _и)·F_д]-го по 1-й, элементы каждого обнуленного массива подвергают дискретному прямому преобразованию Фурье с использованием формулы



где n - номер отчета во временной области, m - номер отчета в частотной области; - значение комплексной амплитуды m-го отсчета спектра оцифрованного сигнала для z-го обнуленного пробного массива U _zs1n или U_zs2n, S_nz - значение амплитуды n-го по номеру отсчета, находящегося в z-м обнуленном пробном массиве U_zs1n или U_zs2n, в последующем для каждого z-го обнуленного пробного массива U_zs1n и U_zs2n вычисляют значение логарифма квадрата модуля каждого m-го отсчета, то есть m-го значения амплитуды спектра оцифрованного сигнала по формуле



после чего для каждого z-го пробного обнуленного массива вычисляют дискретное обратное преобразование Фурье по формуле



где M - число элементов в векторе U_mz , количественно равное N+(Dп- _и)·F_д, в результате дискретного обратного преобразования Фурье для каждого z-го пробного обнуленного массива получают соответствующий z-й основной массив, состоящий из элементов , после чего вычисляют значение модуля для каждого m-го отсчета соответствующего z-го основного массива, в результате получают два z-x кепстральных массива, состоящих из элементов и каждый из которых в отдельности представляет собой кепстр z-го пробного обнуленного массива, для декодирования информации в кепстральном массиве выделяют массив V1_z, а в кепстральном массиве выделяют массив V2_z, при этом массив V1 _z включает в себя значения кепстра с номерами от m₀ до m₁, где m ₀=f(Т1·F_д-1); m₁=f(T1·F _д+1); f(*) - функция округления в сторону наименьшего целого числа, массив V2_z включает в себя значения кепстра и с номерами от m₂ до m₃, где m ₂=f(Т2·F_д-1); m₃=f(Т2·F _д+1), используют заранее полученное максимальное значение амплитуды кепстрального отклика в массиве V1_z или V2_z при отсутствии помех, записанного в память электронно-вычислительной машины, умножают полученное максимальное значение кепстра на 0,7 и принимают результат в качестве порогового значения _порz для z-го кепстрального массива, сравнивают величину _порz с каждым значением соответствующего z-го кепстрального массива и при превышении порога _порz значениями кепстра в массиве V1_z и отсутствии превышения порога _порz в массиве V2_z или при превышении порога _порz значениями кепстра в массиве V2_z и отсутствии превышения порога _порz в массиве V1_z принимают решение о наличии в z-м интервале _z двух импульсов, после чего формируют G новых рабочих массивов данных из генерального массива данных D, номер кепстрального массива которому соответствует наличие двух импульсов в соответствующем z-м интервале _z, фиксируют как начальный Z_нач, а соответствующий z-й интервал _z обозначают как начальный _zнач, рабочие массивы формируют размерностью N, причем первый элемент первого рабочего массива имеет в массиве D номер Z_нач, второй рабочий массив составляют из последовательности элементов массива D, начиная с [Z_нач +N-1]-го элемента массива D и заканчивая [Z_нач+2N-2]-м элементом массива D, а каждый последующий g-й рабочий массив составляют из последовательности элементов массива D, начиная с [Z_нач+(g-1)(N-1)]-го элемента массива D и заканчивая [Z_нач+g(N-1)]-м элементом массива D, от каждого g-го рабочего массива, создают (L-1) копию: U_g1n, U _g2n U_g(L-1)n, каждую копию, представляющую массив данных, где число элементов N записывают в память электронно-вычислительной машины, после этого каждый элемент первой копии g-го рабочего массива, начиная с первого элемента, сдвигают на величину (N _z1+ _и·F_д), где N_z1=t _z1·F_д, а элементы с 1-го по [N_z1 + _и·F_д-1]-й и с [(N_z1 + _и·F_д)+N+1]-го по [N+(Dп- _и)·F_д]-й заполняют нулями, каждый элемент второй копии g-го рабочего массива, начиная с первого элемента, сдвигают на величину [N_z1+N_z2 +2· _и·F_д], где N_z2=t _z2·F_д, а элементы с 1-го по [N_z1 +N_z2+2· _и·F_д-1]-й и с [(N_z1 +N_z2+2· _и·F_д)+N+1]-го по [N+(Dп- _и)·F_д]-й заполняют нулями, каждый элемент (L-1) копии, g-го рабочего массива, начиная с первого элемента, сдвигают на величину [(N_z1+N_z2 + +N_z(L-1))+(L-1)· _и·F_д], а элементы с 1-го по [(N_z1+N_z2+ +N_z(L-1))+(L-1)· _и·F_д-1]-й и с [(N_z1 +N_z2+ +N_z(L-1))+(L-1)· _и·F_д+N+1]-го по [N+(Dп- _и)·F_д]-й заполняют нулями, после этого исходный рабочий g-й массив увеличивают на [(Dп- _и)·F_д] элементов, при этом элементы с [N+1]-го по [N+(Dп- _и)·F_д]-й заполняют нулями, полученные массивы одинаковой размерностью складывают друг с другом и получают суммарный z-й рабочий массив U_gsn, от полученного суммарного g-го рабочего массива U_gsn длительностью N+(Dп- _и)·F_д], создают две копии U _gs1n и U_gs2n, в массиве U_gs1n обнуляют все элементы с [N+(Dп- _и)·F_д]-го по N-й, с [N-( _и·F_д)]-го по [N-(Т1)·F _д]-го, с [N-(Т1- _и)·F_д]-го по 1-й, в массиве U_gs2n обнуляют все элементы с [N+(Dп- _и)·F_д]-го по N-й, с [N-( _и·F_д)]-го по [N-(Т2)·F _д]-го, с [N-(Т2- _и)·F_д]-го по 1-й, элементы каждого обнуленного массива подвергают дискретному прямому преобразованию Фурье с использованием формулы



где n - номер отчета во временной области, m - номер отчета в частотной области; - значение комплексной амплитуды m-го отсчета спектра оцифрованного сигнала для g-го обнуленного рабочего массива U _gs1n или U_gs2n, S_ng - значение амплитуды n-го по номеру отсчета, находящегося в g-м обнуленном рабочем массиве U_gs1n или U_gs2n, в последующем для каждого g-го обнуленного рабочего массива U_gs1n и U_gs2n вычисляют значение логарифма квадрата модуля каждого m-го отсчета, то есть m-го значения амплитуды спектра оцифрованного сигнала по формуле



после чего для каждого g-го рабочего обнуленного массива вычисляют дискретное обратное преобразование Фурье по формуле



где М - число элементов в векторе U_mg , количественно равное N+(Dп- _и)·F_д, в результате дискретного обратного преобразования Фурье для каждого g-го рабочего обнуленного массива получают соответствующий g-й основной массив, состоящий из элементов U_ng, после чего вычисляют значение модуля для каждого m-го отсчета соответствующего g-го основного массива, в результате получают два g-x кепстральных массива, состоящих из элементов и каждый из которых представляет собой кепстр g-го рабочего массива, для декодирования информации в кепстральном массиве выделяют массив V1_g, в кепстральном массиве и выделяют массив V2_g, при этом массив V1 _g g-го кепстрального массива включает в себя значения кепстра от m₀ до m₁, массив V2_g g-го кепстрального массива включает в себя значения кепстра от m₂ до m₃, используют заранее полученное максимальное значение амплитуды кепстрального отклика в массиве V1_z или V2_z при отсутствии помех, записанное в память электронно-вычислительной машины, умножают полученное максимальное значение кепстра на 0,7 и принимают результат в качестве порогового значения _порg для g-го кепстрального массива, сравнивают величину _порg с каждым значением соответствующего g-го кепстрального массива, при превышении порога _порg значениями кепстра в массиве V1_g и отсутствии превышения в массиве V2_g принимают решение о наличии в данном g-м интервале _g закодированной логической единицы, при превышении порога _порg, значениями кепстра в массиве V2_g и отсутствии превышения в массиве V1_g принимают решение о наличии в данном g-м интервале _g закодированного логического нуля, принимают, что выделенная информация из первого кепстрального массива соответствует первому биту информации принятой кодограммы, из второго кепстрального массива второму биту информации принятой кодограммы, а из g-го кепстрального массива - g-му биту информации принятой кодограммы, создают результирующий массив, представляющий собой расшифрованную кодограмму, в его элементы записывают последовательно, начиная с первого кепстрального массива и заканчивая G-м кепстральным массивом, выделенную информацию из каждого g-го кепстрального массива, при отсутствии превышения порога _порg значениями кепстра в установленных массивах V1_g или V2_g принимают решение об окончании приема кодограммы, после чего с объекта Y на объект Х посылают запросный сигнал, свидетельствующий о готовности объекта Y к приему следующей кодограммы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теории информации и предназначено для выделения последовательностей логических нулей либо единиц в процессе декодирования информации из последовательности сверхширокополосных (СШП) гауссовых импульсов без синхронизации приемника и передатчика.

Известен способ выделения закодированной информации для СШП систем скрытой связи с высокой скоростью передачи данных [1]. Способ заключается в том, что с помощью источника передачи сообщений (объект X) из первой точки пространства излучают в свободное пространство синхронизирующий сверхширокополосный сигнал (ССШПС), который формируют из последовательности сверхширокополосных импульсов (СШПИ) с наносекундной длительностью и периодом следования Т. Параметры ССШПС известны во второй точке пространства на пункте приема сообщений (объект Y). Объектом Y во второй точке пространства осуществляют прием ССШПС. Во временном интервале (временном окне) длительностью t, причем t (Т- ), объект Y осуществляет обнаружение СШПИ. Временное окно формируют через интервал времени t_k=T+k t, где k - целые числа 1, 2, 3, . После обнаружения СШПИ относительно начала временного окна определяют положение максимума СШПИ. Момент времени t _смещ, соответствующий этому положению, используют для определения момента начала синхронизации . Последующие временные окна формируют относительно t _нач с периодом Т. Величина t_смещ используется со знаком минус при обнаружении СШПИ в первой половине временного окна, а со знаком плюс при обнаружении СШПИ во второй половине временного окна. В результате каждый последующий СШПИ ССШПС будет находиться в центре временного окна. После установления факта наличия СШПИ во временном окне объектом Y в свободное пространство излучается ССШПС, сигнализирующий о готовности объекта Y к синхронному приему. Параметры ССШПС известны объекту X. Объектом Х осуществляется прием излученного объектом Y ССШПС, после чего объект Х начинает излучать в свободное пространство информационный сверхширокополосный сигнал (ИСШПС). Информационный сверхширокополосный сигнал формируют из кодовой последовательности СШПИ. При этом кодирование логической «единицы» осуществляется передачей СШПИ относительно начала каждого периода в момент времени T+ t₁, а кодирование логического «нуля» - в момент времени Т- t₁. Параметры ИСШПС должны быть известны объекту Y. При этом в каждом из временных интервалов Т передается СШПИ, соответствующий логической «единице» или «нулю».

Во второй точке пространства объектом Y осуществляют прием ИСШПС. Во временном окне длительностью t, обеспечивающем прием одного СШПИ, осуществляют обнаружение СШПИ ИСШПС. При этом центр формируемого объектом Y временного окна соответствует моментам времени, равным t_нач+Tk. Принятый ИСШПС усиливают и передают через делитель в два параллельных канала. Один из каналов, именуемый сигнальным каналом, используют для выделения полезной информации, а дополнительный канал используют для оценки уровня внешних шумов и сигналов, переотраженных от препятствий. Определяют среднее значение U_ср сигнала в дополнительном канале. Выбирают пороговое значение U_пор сигнала выше U_ср на величину, обеспечивающую требуемую вероятность ошибки на бит информации. Сравнивают уровень сигналов в сигнальном канале с уровнем порога U_пор. При превышении сигналом порогового уровня U_пор принимают решение о наличии СШПИ ИСШПС и определяют положение его максимума относительно центра временного окна. Принимают решение о наличии в данный момент времени логического «нуля» либо «единицы». Из совокупности логических «нулей» и «единиц» составляют цифровую последовательность, которую используют для выделения закодированной информации.

При отсутствии СШПИ ИСШПС во временном окне t (из-за смещения окна вследствие нестабильности работы системы синхронизации) прием объектом Y прекращается, и осуществляется повторное вхождение в синхронную работу с объектом X.

Сущность синхронизации при данном способе выделения информации заключается в согласовании времени формирования временного окна с моментом времени приема ИСШПС. Момент времени формирования временного окна находится на основе определения максимума СШПСИ ССШПС. При этом время, отводимое на синхронизацию, будет определяться временем перебора временных окон до определения положения первого максимума СШПИ ССШПС и составляет от 0,5 до 5 секунд.

Недостатком данного способа выделения информации является неэффективное использование пропускной способности канала связи, так как приему ИСШПС предшествует прием ССШПС, его обнаружение и осуществление на этой основе синхронизации приемника и передатчика. К тому же данный способ выделения закодированной информации будет работоспособен лишь при отношении сигнал/шум не менее 10 дБ.

Известен способ выделения закодированной информации, передаваемой потребителю с помощью СШП импульсов [2]. Способ заключается в том, что с помощью источника передачи сообщений (объект X) из первой точки пространства излучают в свободное пространство сложный сигнал, состоящий из сверхширокополосного сигнала (СШПС) и гармонического сигнала. Гармонический сигнал представляет собой радиоимпульс (РИ) длительностью _ри на несущей частоте f. Гармонический сигнал следует с периодом повторения Т_п. Сверхширокополосный сигнал формируют из последовательности СШПИ наносекундной длительности и периодом следования Т_п. Несущая частота РИ f гармонического сигнала располагается в частотном диапазоне ниже полосы частот, занимаемой спектром СШПС. При этом кодирование логической «единицы» осуществляется передачей СШП импульсов относительно начала каждого периода в момент времени Т_п + t₁, а кодирование логического «нуля» - в момент времени Т_п- t₁. Во второй точке пространства осуществляют прием передаваемого сложного сигнала на пункте приема сообщений (объект Y). Параметры СШПС и параметры гармонического сигнала должны быть известны объекту Y. Процесс передачи сложного сигнала объектом Х объекту Y происходит дважды.

С помощью узкополосного фильтра объекта Y выделяют принятый гармонический сигнал, а с помощью полосового фильтра выделяют СШПС. Усиливают принятый гармонический сигнал. Определяют временное положение двух соседних максимумов амплитуды гармонического сигнала. Усиливают принятый СШПС. Передают усиленный СШПС сигнал через делитель в два параллельных канала. Один из каналов, именуемый сигнальным каналом, используют для выделения полезной информации, а дополнительный канал используют для оценки уровня внешних шумов и сигналов, переотраженных от препятствий.

Для приема СШПС в сигнальном канале формируют временные интервалы (временные окна) длительностью t_ок=2 t₁+ относительно временного положения максимумов амплитуды гармонического сигнала. При этом центры временных окон выставляют таким образом, чтобы они совпадали с временным положением максимумов амплитуды РИ. Определяют среднее значение U_сp сигнала в дополнительном канале, выбирают уровень порогового сигнала U_поp выше U_сp на величину, обеспечивающую требуемую вероятность ошибки на бит информации. Сравнивают уровень сигналов в сигнальном канале с уровнем порога U_поp . При превышении сигналом во временном окне порогового уровня U_поp принимают решение о наличии СШПИ СШПС и фиксируют его временное положение относительно центра временного окна. При обнаружении СШПИ СШПС в момент времени Т_п+ t₁ относительно центра временного окна или в момент времени Т_п- t₁ принимают решение о передаче логического «нуля» либо «единицы» в этот момент времени. Из совокупности логических «нулей» и «единиц» составляют цифровую последовательность, которую используют для выделения закодированной информации. После выделения информации из СШПС объектом Y осуществляется повторный прием и выделение информации из сложного сигнала. При совпадении выделенной информации из принятого сложного сигнала в первый раз с выделенной информацией из принятого сложного сигнала во второй раз объектом Y осуществляется передача объекту Х сложного сигнала, сигнализирующего о готовности к синхронному приему информации объектом Y. После этого объектом Х осуществляется передача объекту Y СШПС, несущего полезную информацию объекту Y.

Сущность синхронизации при данном способе выделения информации заключается в согласовании времени формирования временного окна с моментом времени приема СШПС. Момент времени формирования временного окна находится на основе определения положения максимума амплитуды гармонического сигнала. Время, отводимое на синхронизацию в данном способе, не зависит от скважности СШПИ, не превышает двух периодов следования гармонического сигнала Т_п и составляет от 0,005 до 0,05 секунд. При этом скорость передачи данных остается такой же, как и в способе [1].

В отличие от [1] данный способ требует существенно меньшего времени синхронизации приемника и передатчика, так как осуществляется одновременное выделение гармонического сигнала и СШПС. Однако при постановке помех в полосе частот гармонического сигнала синхронизация становится невозможной, что приводит к срыву передачи информации. При постановке помех в области СШПС его работоспособность уже невозможна при отношении сигнал/шум менее 10 дБ, как и в способе [1].

Задачей изобретения является обеспечение достоверного выделения информации при работе источника передачи сообщений и пункта приема сообщений в режиме, не требующем их синхронизации, и при отношении сигнал/шум выше, чем в способах [1, 2].

Под источником передачи сообщений подразумевается первый приемопередатчик, называемый в дальнейшем объектом X. Под пунктом приема сообщений подразумевается второй приемопередатчик, называемый в дальнейшем объектом Y.

Для решения поставленной задачи предлагается применить новый способ кодирования и выделения информации, при котором синхронизирующий сигнал и сама синхронизация становятся излишними. Для этого в предлагаемом способе при кодировании информации предлагается использовать кодовую последовательность пачек сверхширокополосных импульсов (КППСШПИ), причем каждая пачка СШП импульсов состоит из импульсов наносекундной длительности, каждый из которых описывается первой производной гауссовой функции. При этом последовательность КППСШПИ будет включать пачки, следующие с постоянным периодом и называемые «опорными», а также пачки, располагаемые между опорными и называемые «центральными». Информация о логическом «нуле» либо «единице» при таком способе кодирования будет содержаться во временном положении «центральных» пачек относительно «опорных». Выделение информации предлагается производить в электронно-вычислительной машине (ЭВМ). При этом временные задержки пачек относительно друг друга определяют на основе кепстральной обработки, а определенные таким образом временные задержки затем преобразовывают в последовательность логических «нулей» и «единиц». Отказ от синхронизации основывается на том, что для выделения информации используют взаимную временную расстановку пачек СШП импульсов, которая не требует определения момента синхронизации, использующегося для определения начала отсчета.

Операции, выражающие существо предлагаемого способа выделения информации, могут быть описаны следующей совокупностью последовательных действий:

1) кодирование информации при помощи пачек СШП импульсов, описываемых гауссовой функцией, по специальному правилу для получения кодограммы;

2) излучение кодограммы из первой точки пространства объектом X;

3) прием во второй точке пространства кодограммы объектом Y;

4) усиление каждого из импульсов принятой кодограммы;

5) оцифровка аналого-цифровым преобразователем (АЦП) каждого импульса кодограммы;

6) передача информации с АЦП в ЭВМ;

7) разделение при помощи ЭВМ принятой цифровой информации на массивы данных, каждый из которых соответствует временному интервалу , включающему две смежные оцифрованные пачки импульсов одинаковой формы, причем смежные интервалы не пересекаются;

8) накопление СШП импульсов по мощности, заключающееся в создании [L-1] копии массива данных и их последовательном сложении с исходным массивом по специальному правилу;

9) выделение информации на основе кепстральной обработки из каждого временного интервала ;

10) составление из совокупности выделенных логических нулей и единиц цифровой последовательности, которую используют в качестве выделенной информации;

11) передача объектом Y объекту Х запросного сигнала, свидетельствующего о готовности объекта Y к приему следующей кодограммы. Последняя операция востребована тем, что передача каждой из кодограмм, состоящих из логических «нулей» и «единиц», будет вестись с периодом, равным длительности кодограммы. Передачу предполагается вести до тех пор, пока от объекта Y не поступит запросный сигнал, известный объекту X, сигнализирующий об установлении факта приема всей совокупности кодограмм.

Правило кодирования информации заключается в использовании в качестве основных носителей информации пачек СШП импульсов. При этом длительность каждого импульса в пачке должна составлять не менее двух наносекунд и описываться первой производной гауссовой функции [3]. Эти импульсы имеют следующее аналитическое описание:

где А - амплитуда импульса; а - величина, характеризующая половину длительности импульса на уровне 0,707.

Каждая пачка СШП импульсов будет включать в себя L импульсов, при этом величина L может принимать значения от 10 до 100. Расположение импульсов внутри каждой пачки одинаково. При этом сами импульсы в пачке предполагается располагать друг относительно друга на различных временных задержках t_z , а величина каждой задержки должна быть не меньше половины длительности импульса _и и не больше длительности пачки (фиг.1). Длительность пачки определяется выражением:

где i - порядковый номер задержки между импульсами в пачке; t_zi - соответствующая i-я задержка между импульсами в пачке.

Для кодирования предлагается использовать периодическую последовательность пачек СШП импульсов, состоящую из расположенных в определенном порядке «опорных» и «центральных» пачек. Опорные пачки отличаются от «центральных» тем, что их период следования Т 4· _п постоянен, а период следования «центральных» пачек может изменяться. Вся информация о кодировании будет заключаться во временном положении «центральной» пачки СШП импульсов относительно «опорной». При временном положении «центральной» пачки с опережением «опорной» на 0,2Т результат кодирования соответствует логической «единице», а при положении «центральной» пачки с опережением «опорной» на 0,4Т результат кодирования соответствует логическому «нулю» (фиг.2).

Таким образом, всю информацию о кодировании логического «нуля» или «единицы» предлагается заключить в задержках Т1 и Т2 между пачками СШП импульсов, при этом Т1=0,2Т, а Т2=0,4Т.

В результате каждый бит информации кодируется одной «опорной» и одной «центральной» пачкой СШП импульсов. При этом набор нескольких бит информации будет представлять собой некоторое сообщение, именуемое кодограммой (фиг.3), которое излучается в пространство из первой точки объектом Х и принимается во второй точке пространства объектом Y.

После приема кодограммы объектом Y и усиления КППСШПИ ее предлагается оцифровать при помощи АЦП с частотой дискретизации не менее 2 ГГц. К примеру, возможно использование такого АЦП, как ADS10×2G/1, с частотой дискретизации 2000 МГц.

Получившийся в результате набор данных, описывающий оцифрованный сигнал, поступает в ЭВМ, где по мере поступления данных с АЦП осуществляют формирование генерального массива данных D, из элементов которого формируют Z пробных массивов . Каждый вновь сформированный пробный z-й массив записывается в память ЭВМ и включает в себя значения оцифрованной последовательности пачек сверхширокополосных импульсов, ограниченной временным интервалом длительностью . Причем величина , соответствующая z-му пробному интервалу _z, равна Т (эпюра а, фиг.4).

В результате каждый z-й пробный массив включает по N отсчетов, извлекаемых из генерального массива D, начиная с z-го элемента массива D и заканчивая (z+N-1)-м элементом массива D, причем число элементов N в пробном массиве определяется по формуле:

N= ·F_д,

где F_д - частота дискретизации АЦП.

Таким образом, первый пробный массив формируют из элементов массива D с номерами с 1-го по N-й, второй пробный массив формируют из элементов массива D с номерами со 2-го по (N+1)-й, третий пробный массив формируют из элементов массива D с номерами с 3-го по (N+2)-й, a Z-й пробный массив формируют из элементов массива D с номерами с Z-го по (Z+N-1)-й (эпюра а, фиг 6). К примеру, если генеральный массив D содержит 128 элементов, а N равно 48, тогда первый пробный массив будет включать в себя элементы генерального массива D с первого по 48-й, второй пробный массив будет включать в себя элементы генерального массива D со второго по 49-й, третий пробный массив будет включать в себя элементы генерального массива D с третьего по 50-й и т.д.

Правило накопления импульсов заключается в следующем: от каждого z-го пробного массива создается (L-1) копий: U_z1n, U_z2n U_z(L-1)n. Каждая копия представляет собой массив данных величиной N и записывается в память ЭВМ. После этого каждый элемент первой копии z-го пробного массива, начиная с первого элемента, сдвигают на величину (N_z1+ _и·F_д), где N_z1=t _z1·F_д, а элементы с 1-го по [N_z1 + _и·F_д-1]-й и с [(N_z1 + _и·F_д)+N+1]-го по [N+(Dп- _и)·F_д]-й заполняют нулями. Каждый элемент второй копии z-го пробного массива, начиная с первого элемента, сдвигают на величину [N_z1+N_z2 +2· _и·F_д], где N_z2=t _z2·F_д, а элементы с 1-го по [N_z1 +N_z2+2· _и·F_д-1]-й и с [(N_z1 +N_z2+2· _и·F_д)+N+1]-го по [N+(Dп- _и)·F_д]-й заполняют нулями. Каждый элемент (L-1) копии z-го пробного массива, начиная с первого элемента, сдвигают на величину [(N_z1+N_z2 + +N_z(L-1))+(L-1)· _и·F_д], а элементы с 1-го по [(N_z1+N_z2+ +N_z(L-1))+(L-1)· _и·F_д-1]-й и с [(N_z1 +N_z2+ +N_z(L-1))+(L-1)· _и·F_д+N+1]-го по [N+(Dп- _и)·F_д]-й заполняют нулями. После этого исходный пробный z-й массив увеличивают на [(Dп- _и)·F_д] элементов, при этом элементы с [N+1]-го по [N+(Dп- _и)·F_д]-й заполняют нулями. В результате будет получено всего L массивов, каждый из которых включает в себя N+(Dп- _и)·F_д элементов. Полученные массивы одинаковой размерностью складывают друг с другом и получают суммарный z-й пробный массив U_zsn. На фиг.5 схематично изображен процесс накопления сверхширокополосных импульсов, при этом а - временная задержка t_z(L-1); б - временная задержка t_z8; в - временная задержка t_z7 ; г - временная задержка t_z6; д - временная задержка t_z5; е - временная задержка t_z4; ж - временная задержка t_z3; з - временная задержка t_z2 ; и - временная задержка t_z1.

От полученного суммарного z-го пробного массива U_zsn длительностью N+(Dп- _и)·F_д создаются две копии U _zs1n, U_zs2n.

В массиве U _zs1n обнуляются все элементы с [N+(Dп- _и)·F_д]-го по N-й, с [N-( _и·F_д)]-го по [N-(T1)·F _д]-й, с [N-(T1- _и)·F_д]-го по 1-й. В массиве U_zs2n обнуляются все элементы с [N+(Dп- _и)·F_д]-го по N-й, с [N-( _и·F_д)]-го по [N-(T2)·F _д]-й, с [N-(T2- _и)·F_д]-го по 1-й. Полученные обнуленные массивы данных U_zs1n, U_zs2n (фиг.6) подвергают кепстральной обработке [4] по схеме, представленной на фиг.7. Вначале элементы каждого обнуленного массива подвергаются дискретному прямому преобразованию Фурье [5] с использованием формулы:

где n - номер отчета во временной области, m - номер отчета в частотной области; - значение комплексной амплитуды m-го отсчета спектра оцифрованного сигнала для z-го обнуленного пробного массива U _zs1n или U_zs2n, S_nz - значение амплитуды n-го по номеру отсчета, находящегося в z-м обнуленном пробном массиве U_zs1n или U_zs2n.

В последующем для каждого z-го обнуленного пробного массива U _zs1n и U_zs2n вычисляют значение логарифма квадрата модуля каждого m-го отсчета, то есть m-го значения амплитуды спектра оцифрованного сигнала по формуле

Затем для каждого вектора, составленного из величин U_mz z-го интервала _z, вычисляют дискретное обратное преобразование Фурье [5] по формуле

где М - число элементов в векторе U _mz, количественно равное N+(Dп- _и)·F_д.

В результате трех описанных операций для каждого z-го обнуленного пробного массива U_zs1n и U_zs2n получают соответствующий z-й основной массив, состоящий из элементов и .

После этого вычисляют значение модуля для каждого m-го отсчета соответствующего z-го обнуленного основного массива U_zs1n и U_zs2n. В результате получают два z-x кепстральных массива, состоящих из элементов и , каждый из которых представляет собой кепстр z-го обнуленного пробного массива. Для декодирования информации в кепстральном массиве выделяют массив V1_z, в кепстральном массиве выделяют массив V2_z. При этом массив V1 _z включает в себя значения кепстра с номерами от m₀ до m₁, где m ₀=f(T1·F_д-1); m₁=f(T1·F _д+1); f(*) - функция округления в сторону меньшего целого числа. Массив V2_z включает в себя значения кепстра с номерами от m₂ до m₃, где m ₂=f(T2·F_д-1); m₃=f(Т2·F _д+1).

В последующем используют заранее полученное максимальное значение амплитуды кепстрального отклика в массиве V1_z или V2_z при отсутствии помех, записанного в ЭВМ, умножают полученное максимальное значение кепстра на 0,7 и принимают результат в качестве порогового значения для каждого обнуленного z-го кепстрального массива. Сравнивают величину с каждым значением соответствующего обнуленного z-го кепстрального массива. При превышении порога значениями кепстра в массиве V1_z и отсутствии превышения порога в массиве V2_z или при превышении порога значениями кепстра в массиве V2_z и отсутствии превышения порога в массиве V1_z принимают решение о наличии в z-м интервале _z ровно двух импульсов. Затем формируют G новых рабочих массивов данных из генерального массива данных D.

Номер кепстрального обнуленного массива, которому соответствует наличие двух импульсов в соответствующем z-м интервале _z, фиксируют как начальный Z_нач, а соответствующий z-й интервал _z принимают за начальный . Рабочие массивы формируют размерностью N, причем первый элемент первого рабочего массива имеет в массиве D номер Z _нач, второй рабочий массив составляют из последовательности элементов массива D, начиная с [Z_нач+N-1]-го элемента массива D и заканчивая [Z_нач+2N-2]-м элементом массива D. Каждый последующий g-й рабочий массив составляют из последовательности элементов массива D, начиная с [Z_нач+(g-1)(N-1)]-го элемента массива D и заканчивая [Z_нач+g(N-1)]-м элементом массива D (эпюра б, фиг.6). Если генеральный массив D содержит 512 элементов, N равно 48, а для шестидесятого интервала ₆₀, включающего элементы генерального массива с шестидесятого по 107-й, в результате кепстральной обработки принято решение о наличии ровно двух импульсов, то интервал ₆₀ фиксируют как начальный , а шестидесятый пробный массив принимают за первый рабочий массив. Второй рабочий массив будет включать в себя элементы генерального массива D с [60+47]-го (107-го) по [60+2(47)]-й (154-й). Третий рабочий массив будет включать в себя элементы генерального массива D с [60+2(47)]-го (154-го) по [60+3(47)]-й (201-й). Четвертый рабочий массив будет включать в себя элементы генерального массива D с 201-го по 248-й и т.д.

От каждого g-го рабочего массива создается (L-1) копия, U _g1n, U_g2n U_g(L-1)n, значения каждой копии записываются в память ЭВМ. Каждая копия представляет собой массив данных величиной N и записывается в память ЭВМ.

После этого каждый элемент первой копии g-го рабочего массива, начиная с первого элемента, сдвигают на величину (N_g1+ _и·F_д), где N_g1=t _z1·F_д, а элементы с 1-го по [N_g1 + _и·F_д-1]-й и с [(N_g1 + _и·F_д)+N+1]-го по [N+(Dп- _и)·F_д]-й заполняют нулями. Каждый элемент второй копии z-го пробного массива, начиная с первого элемента, сдвигают на величину [(N_g1+N_g2 +2· _и·F_д], где N_g2=t _z2·F_д, а элементы с 1-го по [N_g1 +N_g2+2· _и·F_д-1]-й и с [(N_g1 +N_g2+2· _и·F_д)+N+1]-го по [N+(Dп- _и)·F_д]-й заполняют нулями. Каждый элемент (L-1) копии g-го рабочего массива, начиная с первого элемента, сдвигают на величину [(N_g1+N_g2 + +N_g(L-1))+(L-1)· _и·F_д], а элементы с 1-го по [(N_g1+N_g2+ +N_g(L-1))+(L-1)· _и·F_д-1]-й и с [(N_g1 +N_g2+ +N_g(L-1))+(L-1)· _и·F_д+N+1]-го по [N+(Dп- _и)·F_д]-й заполняют нулями. После этого исходный рабочий g-й массив увеличивают на [(Dп- _и)·F_д] элементов, при этом элементы с [N+1]-го по [N+(Dп- _и)·F_д]-й заполняют нулями. В результате будет получено всего L массивов, каждый из которых включает в себя N+(Dп- _и)·F_д элементов.

Полученные массивы одинаковой размерностью складывают друг с другом и получают суммарный g-й рабочий массив. В массиве U _gs1n обнуляются все элементы с [N+(Dп- _и)·F_д]-гo по N-й, с [N-( _и·F_д)]-го по [N-(T1)·F _д]-й, с [N-(T1- _и)·F_д]-го по 1-й. В массиве U_gs2n обнуляются все элементы с [N+(Dп- _и)·F_д]-гo по N-й, с [N-( _и·F_д)]-го по [N-(T2)·F _д]-й, с [N-(T2- _и)·F_д]-го по 1-й. Полученные обнуленные массивы данных U_gs1n, U_gs2n (фиг.6) подвергают кепстральной обработке. Вначале дискретному прямому преобразованию Фурье подвергаются элементы g-го рабочего массива по формуле

где - значение комплексной амплитуды m-гo отсчета спектра оцифрованного сигнала для g-го рабочего массива, S_ng - значение амплитуды n-го по номеру отсчета, находящегося в g-м, обнуленном рабочем массиве оцифрованного сигнала. После чего для каждого g-го обнуленного рабочего массива вычисляют значение логарифма квадрата модуля каждого m-гo отсчета, то есть m-гo значения амплитуды спектра оцифрованного сигнала по формуле

Затем для каждого вектора, составленного из величин U_mg g-гo интервала _g, вычисляют дискретное обратное преобразование Фурье по формуле

В результате трех описанных операций, для каждого g-гo обнуленного рабочего массива получают соответствующий g-й основной массив, состоящий из элементов и . После этого вычисляют значение модуля для каждого m-гo отсчета соответствующего g-гo обнуленного основного массива. В результате получают два g-x кепстральных массива, состоящих из элементов и , каждый из которых представляет собой кепстр g-гo обнуленного рабочего массива. Для декодирования информации в каждом кепстральном массиве выделяют массив V1_g или V2_g. При этом массив V1_g g-гo обнуленного кепстрального массива включает в себя значения кепстра от m₀ до m₁. Массив V2_g g-гo обнуленного кепстрального массива включает в себя значения кепстра от m₂ до m₃.

В последующем используют заранее полученное максимальное значение амплитуды кепстрального отклика в массиве V1_z или V2_z при отсутствии помех, записанное в ЭВМ. Умножают полученное максимальное значение кепстра на 0,7 и принимают результат в качестве порогового значения для каждого g-го обнуленного кепстрального массива. Сравнивают величину с каждым значением соответствующего обнуленного g-го кепстрального массива. При превышении порога значениями кепстра в массиве V1_g и отсутствии превышения в массиве V2_g принимают решение о наличии в данном g-м интервале _g закодированной логической единицы (фиг.8). При превышении порога значениями кепстра в массиве V2_g и отсутствии превышения в массиве V1_g принимают решение о наличии в данном g-м интервале _g закодированного логического нуля (фиг.9). После чего принимают решение о том, что выделенная информация из первого кепстрального массива соответствует первому биту информации принятой кодограммы, информация из второго кепстрального массива соответствует второму биту информации принятой кодограммы, а информация из g-го кепстрального массива - g-му биту информации принятой кодограммы. В последующем создают результирующий массив, представляющий собой расшифрованную кодограмму. В его элементы записывают последовательно, начиная с первого кепстрального массива и заканчивая G-м кепстральным массивом, выделенную информацию из каждого g-го кепстрального массива. При отсутствии превышения порога значениями кепстра в установленных массивах V1_g и V2_g принимают решение об окончании приема кодограммы, после чего с объекта Y на объект Х посылают запросный сигнал, свидетельствующий о готовности объекта Y к приему следующей кодограммы.

Сущность способа, а именно сущность процесса выделения информации, позволяющая исключить режим синхронизации из общего процесса передачи и приема информации, заключается в следующем.

В известных способах [1-2] при кодировании информации временным положением СШП импульсов относительно их периода следования для выделения информации необходимо точно определить временное положение начала каждого периода, чтобы в последующем относительно него оценивать временное положение СШП импульсов. Для этого необходимо строго синхронизировать моменты передачи и приема сообщения, что требует высокой стабильности частоты генерирования СШП импульсов, высокой стабильности системы синхронизации приемника и использования дополнительных специальных сигналов, служащих для синхронизации моментов передачи и приема сообщения.

Для выделения информации без синхронизации моментов передачи и приема сообщения предлагается изменить способ кодирования информации, при котором информация будет заключена во взаимном временном положении дополнительно введенной пачки СШП импульсов, называемой «центральной», между периодически следующими друг за другом пачками СШП импульсов такой же формы, называемыми «опорными». А выделение информации предлагается производить в ЭВМ, анализируя принимаемое сообщение в цифровом виде. Соответственно, при кодировании информации таким образом вся информация будет заключена во временном положении центральной пачки относительно задержанной «опорной» пачки (фиг.2) и будет определяться соответствующими временными задержками Т1, Т2.

Однако данные временные задержки будут определять логический ноль либо единицу лишь при обработке в ЭВМ двух пачек, а закодированное сообщение, именуемое кодограммой, будет представлять собой КППСШПИ. Таким образом, для выделения информации из принятой объектом Y кодограммы предлагается принятую КППСШПИ делить в ЭВМ на равные отрезки, каждый из которых включал бы две пачки СШП импульсов. Так как время прихода КППСШПИ неизвестно, необходимо постоянно анализировать входную информацию для нахождения времени начала приема кодограммы. Стоит учесть, что длительность каждого импульса кодограммы составляет единицы наносекунд. Поэтому для их оцифровки необходимы АЦП с высокой частотой дискретизации. С выхода АЦП сигнал в виде двоичных чисел (эпюра а, фиг.4) будет поступать в ЭВМ, где определяют время начала приема кодограммы. Для этого оцифрованную КППСШПИ с выхода АЦП независимо от времени прихода делят в ЭВМ на пробные массивы данных, каждый из которых содержит значения оцифрованной растянутой КППСШПИ, ограниченной интервалами длительностью (эпюра а, фиг.4). Каждый пробный массив подвергают кепстральной обработке по схеме, представленной на фиг.7. Так как дискретный сигнал в каждом обнуленном массиве представляет собой сумму двух оцифрованных импульсов почти одинаковой формы за счет оптимальной фильтрации (фиг.6) и задержанных относительно друг друга на время Т1 при кодировании логической «единицы» или на время Т2 при кодировании логического «нуля», то наложение сдвинутых копий на исходный импульс создает эффект модуляции спектра энергии дискретного сигнала по некоторому закону. При этом период модуляции будет равен 2 /Т1 или 2 /Т2. При логарифмировании спектра энергии дискретного сигнала можно перейти от произведения спектра энергии одиночного оцифрованного импульса и закона модуляции спектра энергии дискретного сигнала с периодом 2 /Т1 или 2 /Т2 к сумме их логарифмов. Модуль от значений, полученных с выхода блока обратного преобразования Фурье, позволит получить суммарный дискретный сигнал, именуемый кепстром, в котором закону модуляции энергетического спектра дискретного сигнала с периодом 2 /Т1 или 2 /Т2 соответствует импульс на кепстральной оси времени с максимумом в момент времени Т1 или в момент времени Т2. Таким образом, кепстральная обработка позволяет выявить период повторения закона модуляции энергетического спектра дискретного сигнала, который равен нулю при наличии одного оцифрованного импульса в интервале и 2 /Т1 или 2 /Т2 при наличии двух оцифрованных импульсов, несущих информацию о логическом «нуле» или «единице». Зная задержки между «центральной» и «опорной» пачками импульсов, можно определить временное положение интервала , в котором две первые пачки импульсов принимаемой кодограммы, ожидая появления импульса на кепстральной оси в момент времени Т1 или в момент времени Т2. Выделенная из каждого рабочего массива информация о наличии логического нуля либо единицы будет составлять основу результирующего массива, представляющего собой расшифрованную кодограмму.

Из описания способа следует, что в предлагаемом варианте нет необходимости оценивать временное положение каждого импульса относительно момента времени, заданного системой синхронизации приемника, как в способах [1, 2]. В результате этого определение момента времени начала выделения информации из последовательности принимаемых пачек СШП импульсов осуществляется на основе поиска наличия во временном интервале заданной длительности двух первых пачек СШП импульсов принимаемой кодограммы.

Предложенный способ легко реализуем и не требует синхронизации моментов передачи и приема сообщения, а также сохраняет свою работоспособность при отношении сигнал/шум не менее 2 дБ. Положительный технический эффект способа заключается в том, что отсутствует необходимость использования дополнительного гармонического сигнала для синхронизации моментов передачи и приема сообщения, а значит постановка помехи в области частот гармонического сигнала не влияет на совместную работу источника и приемника сообщений, отсутствует система синхронизации, а следовательно, отсутствует необходимость использования специальных генераторов с высокой стабильностью частоты, усложняющих построение приемопередатчиков.

Источники информации

1. Immoreev I.J., Sudakov A.A., "Ultra-Wideband Interference Resistant System for Secure Radio Communication with High Data Rate", ICCSC'02, St.Petersburg, Russian Federation, June 2002 (аналог).

2. Патент № 2315424 (РФ). Система связи с высокой скоростью передачи информации сверхширокополосными сигналами. МПК⁷ Н04В 1/69, H04L 5/26. Бондаренко В.В., Кыштымов С.Г. Заявка № 2006119887/09 от 06.06.2006. Опубл. 20.01.2008 (прототип).

3. Иммореев И.Я. Сверхширокополосные радары: новые возможности, необычные проблемы, системные особенности //Вестник МГТУ, 1998. № 4. С.25-56.

4. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Издание четвертое: Учебник для вузов. - М.: Радио и связь, 1986. - 477 с.

5. Смоленцев Н.К. Основы теории вейвлетов. Вейвлеты в MATLAB: Издание третье. - М.: Прикладная математика, 2008. - С.39.