Математическая морфология.
Электронный математический и
медико-биологический журнал. - Т. 9. -
Вып. 3. - 2010. - URL:
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-27-html/TITL-27.htm
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-27-html/cont.htm
УДК 621.39:621.391.82
ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ
СИНХРОНИЗАЦИИ И ВЫДЕЛЕНИЯ ЗАКОДИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИИ ИЗ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ
СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ИМПУЛЬСОВ
Ó
2010 г. Жбанов И. Л., Силаев Н. В.
В данной статье рассмотрена
проблема выделения информации в сверхширокополосных системах связи при синхронизации
моментов приема и передачи данных. Описаны основные способы синхронизации и
выделения закодированной информации используемые в сверхширокополосных системах
связи их достоинства и недостатки.
Ключевые слова: синхронизация,
сверхширокополосные импульсы.
В
данной статье рассматриваются основные способы синхронизации и выделения закодированной
информации используемые в сверхширокополосных
системах связи на сегодняшний день, для выявления их достоинств и недостатков.
Примерами
могут служить устройства СШП импульсной системы связи, защищенные патентами
США: [1]. Эти системы импульсной радиосвязи для передачи информации используют
одну или несколько импульсных поднесущих. В импульсном радиоприемнике
используется кросс-коррелятор, осуществляющий свертку близких по форме входного
сигнала с эталонным сигналом, засинхронизированных
по времени с известным кодом передатчика. Выходное напряжение кросс-коррелятора
интегрируется для восстановления сигнала из шума и помех (рисунок 1). Однако
при этом накладываются определенные ограничения на уровень искажения формы
принимаемого сигнала, так как при распространении СШП сигнала форма его изменяется
в зависимости от расстояния приемопередачи. Из-за широкой полосы частот и сверхкороткой
длительности импульсов требования к точности синхронизации в этих системах
необычайно высоки. В этих известных СШП системах сигналы синхронизации и автоподстройки
связаны между собой и с основными информационными сигналами на одном
энергетическом уровне, а так как спектральная плотность всех сигналов находится
на уровне шумов, то система в значительной степени подвержена сбоям.
Вхождение
в синхронизм таких систем связи с СШП сигналами требует недопустимо большого
времени, т.к. необходимо осуществлять перебор путем временного сдвига синхронизирующих
импульсов с шагом, равным половине длительности СШП сигнала на всем периоде
следования синхросигнала.
Известна
более современная система: [3], выделение информации в которой происходит на
основе метода идентификации фазы входного СШП сигнала (рисунок 2), который
заключается в следующем, на многоканальный коррелятор поступают принимаемые импульсы
и импульсы с различными временными промежутками между ними, которые соответствуют
отдельным временным промежуткам опорной кодовой последовательности.
При
совпадении любого указанного промежутка (фазовый интервал) один из корреляторов
формирует первый максимум. При очередном совпадении на втором фазовом интервале
второй коррелятор формирует второй максимум. Если второй максимум выше первого
максимума, то применяется решение о запуске опорной импульсной последовательности,
и система входит в синхронизм. К недостаткам можно отнести - работоспособность
синхронизации этой системы связи только при большом отношении сигнал/помеха на
входе приемного устройства.
Рис.
1. Корреляционный способ выделения информации
Способ
быстрой синхронизации [4] заключается в том, что контроллер проверяет выход
коррелятора, на входы которого поступает входной СШП сигнал с достаточным отношением
сигнал/помеха и опорная импульсная последовательность, которая циклически
смещается во времени. Контроллер генерирует управляющий сигнал, принуждающий синхрогенератор
опорной кодово-импульсной последовательности останавливаться или следить за входным
СШП сигналом всякий раз при совпадении с опорной кодовой последовательностью.
Недостатком предлагаемого технического решения является также необходимость для
работоспособности системы наличия большого отношения сигнал/помеха на входе
приемника.
Известен
патент [5], сущность метода, в котором состоит в использовании любой части
многолучевого распространения кодовой последовательности импульсного радиосигнала
(рисунок 3 ).
За счет увеличенного импульсного потока
многолучевого радиосигнала возникает возможность корреляционной обработки с
образцовым импульсным потоком и при их совпадении система входит в синхронизм.
При пороговой обработке, по крайней мере, одной отраженной части многолучевости
после проверки на синхронизм система осуществляет быстрый захват.
Рис.
2. Способ идентификации фазы входного сигнала
Рис.
3. Использование любой части кодовой
входной последовательности импульсов для установления синхронизации
К
недостатку предлагаемой системы можно отнести неработоспособность в мобильном
исполнении, так как условие многолучевости непредвиденно изменяется в зависимости
от дальности и относительного положения приемника и передатчика.
Одним из последних отечественных, является способ
выделения закодированной информации для СШП систем скрытой связи с высокой скоростью
передачи данных [6]. 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
T. Параметры ССШПС известны во второй точке пространства на пункте
приема сообщений (объект Y). Объектом Y во второй
точке пространства осуществляют прием CСШПС. Во временном интервале
(временном окне) длительностью 
, причем 
, объект Y осуществляет обнаружение
СШПИ. Временное окно формируют через интервал времени 
, где 
– целые числа 1,2,3, … . После обнаружения СШПИ относительно
начала временного окна определяют положение максимума СШПИ. Момент времени 
, соответствующий этому положению, используют для определения
момента начала синхронизации 
. Последующие временные окна формируют относительно 
с периодом T
(рисунок 4). Величина 
используется со
знаком минус при обнаружении СШПИ в первой половине временного окна, а со
знаком плюс – при обнаружении СШПИ во
второй половине временного окна.
Рис.
4. Использование пошагового открывания временных окон для установления синхронизации
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 X
осуществляется прием излученного объектом Y ССШПС, после чего объект X
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 
, а кодирование логического «нуля» – в момент времени 
. Параметры ИСШПС должны быть известны объекту Y. При
этом в каждом из временных интервалов Т, передается СШПИ, соответствующий
логической «единице» или «нулю».
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.
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 повышенном отношении
сигнал шум.
Известен
способ выделения закодированной информации, передаваемой потребителю с помощью
СШП импульсов [7]. 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 
на несущей частоте 
. Гармонический сигнал следует с периодом повторения 
. Сверхширокополосный сигнал формируют из последовательности
СШПИ наносекундной длительности 
и периодом следования
. Несущая частота РИ 
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 
, а кодирование логического «нуля» – в момент времени 
. 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 X 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 
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 
сигнала в
дополнительном канале, выбирают уровень порогового сигнала 
выше 
на величину,
обеспечивающую требуемую вероятность ошибки на бит информации. Сравнивают
уровень сигналов в сигнальном канале с уровнем порога 
. При превышении
сигналом во временном окне порогового уровня 
принимают решение о наличии СШПИ СШПС и
фиксируют его временное положение относительно центра временного окна (рисунок
5).
Рис.
5. Использование узкополосного сигнала для установления
синхронизации
При
обнаружении СШПИ СШПС в момент времени 
относительно центра
временного окна или в момент времени 
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 X сложного сигнала,
сигнализирующего о готовности к синхронному приему информации объектом Y. После этого объектом X 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 
и составляет от 0,005 до 0,05 секунд. При этом скорость
передачи данных остается такой же, как и в способе [6].
В отличие от [6] 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 [6].
Таким образом,
рассматриваемые способы передачи данных в сверхширокополосных системах связи,
показывают важность синхронизации в процессе приема и передачи данных наличие
которой снижает пропускную способность в канале связи, а при использовании
узкополосных синхронных сигналов и скрытность систем СШП связи.
ЛИТЕРАТУРА
1 .
US 4641317 Spread Spectrum Radio Transmission System. Larry W. Fullerton.
03.12.84; 2. US 5677927 Ultra wide - Band Communication System and Method.
Larry W. Fullerton; Ivan A.Cowie. 14.10.1997; 3. US 5687169 Full Duplex Ultra
wide - Band Communication System and Method. Larry W. Fullerton. 24.11.1997
2.
US 3662316 Shot Base - Band Pulse Receiver. Kenneth W. Robbins 09.05.1972; 5 US
3728632. Transmission and Reception System for Generation and Receiving
Base-Band Duration Pulse Communication System/Gerald F. Ross. 17.04.1973
3.
US 6925108. Ultrawide bandwidth system and method for fast synchronizaton.
Timothy R. Miller. 02.08.2005
4.
US 6967993. Ultrawide bandwidth system and method for fast synchronization
using sub-code spins. Timothy R. Miller. 22.11.2005
5.
US 6925109. Method and system for fast acquisition of ultra-wideband signals.
James L. Richards, Mark D. Roberts. 02.08.2005
6.
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.
7. Патент № 2315424 (РФ). Система
связи с высокой скоростью передачи информации сверхширокополосными сигналами. МПК7 H04B1/69, H04L5/26. Бондаренко В.В., Кыштымов С.Г. Заявка № 2006119887/09 от 06.06.2006. Опубл. 20.01.2008 .
THE BASIC WAYS OF SYNCHRONIZATION AND ALLOCATION OF THE CODED
INFORMATION FROM SEQUENCE SUPERBROADBAND OF IMPULSES
I.L. Zhbanov, N.V. Silaev
The problem of getting of the information in superbroadband systems of
transfer of transmission without synchronization of reception moment and data
transmission is considered. The basic ways of synchronization and allocation of
the coded information their merits and demerits used in superbroadband communication
systems are described.
Key
words: synchronization, superbroadband of impulses.
Военная академия войсковой ПВО Вооруженных Сил Российской Федерации
имени Маршала
Советского Союза А.М. Василевского
(ВА ВПВО ВС РФ)
Поступила в редакцию 30.09.2010.