RU2205496C1

RU2205496C1 - Method for shaping and processing composite signal in noise-immune radio systems

Info

Publication number: RU2205496C1
Application number: RU2002112125/09A
Authority: RU
Inventors: А.В. Гармонов; В.В. Прилепский; С.В. Фурсов; А.В. Прилепский
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Воронежский научно-исследовательский институт связи"
Priority date: 2002-05-06
Filing date: 2002-05-06
Publication date: 2003-05-27

Abstract

FIELD: radio engineering; structural hiding of signals in noise-immune systems. SUBSTANCE: on sending end carrier wave is phase-keyed by pseudorandom sequence and by data signal; on receiving end pseudorandom sequence is picked off, this being followed by its demodulation in Kostas circuit; novelty is that modified band noise is used as carrier wave, its time sections with amplitude higher than threshold value being uniformly distributed in phase within ±π/2 relative to reference frequency-modulated oscillation phase; sections with amplitude lower than threshold value are uniformly distributed in phase within ±π, composite signal is processed with aid of Kostas circuit involving follow-up of introduced carrier frequency modulation. EFFECT: enhanced reliability of composite phase-keyed signal structural hiding. 1 cl, 9 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для повышения структурной скрытности сигналов в помехозащищенных радиосистемах. The present invention relates to the field of radio engineering and can be used to increase the structural stealth of signals in noise-protected radio systems.

Для защиты передаваемой информации по радиолиниям необходимо затруднять или вовсе исключать возможность выделения модулирующего информационного сигнала потенциальным разведприемником. Степень защищенности модулирующего информационного сигнала характеризуется энергетической и структурной скрытностью передаваемого радиосигнала в целом. To protect the transmitted information via radio links, it is necessary to complicate or completely exclude the possibility of isolating the modulating information signal by a potential reconnaissance receiver. The degree of security of the modulating information signal is characterized by energy and structural secrecy of the transmitted radio signal as a whole.

Для повышения как энергетической, так и структурной скрытности используются сложные фазоманипулированные сигналы (СФМнС) [Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами. Под ред. Г.И. Тузова. - М.: Радио и связь, 1985]. To increase both energy and structural secrecy, complex phase-shift signals (SPS) are used [Interference immunity of radio systems with complex signals. Ed. G.I. Tuzova. - M .: Radio and communications, 1985].

На практике обычно несущая и тактовые частоты СФМнС имеют высокую стабильность. При возведении М-фазного сигнала с синусоидальной несущей, имеющей частоту f₀, в М-ю степень образуется когерентное с несущей синусоидальное колебание на частоте Mf₀. Поделив частоту этого колебания в М раз, при достаточно большом отношении сигнал/шум методом синхронного детектирования можно выделить манипулирующую последовательность, а затем информационный сигнал. Таким образом, использование синусоидальной несущей не позволяет достичь высокой структурной скрытности СФМнС.In practice, usually the carrier and clock frequencies of SPSKs have high stability. When erecting an M-phase signal with a sinusoidal carrier having a frequency f ₀ , a coherent sinusoidal oscillation with a carrier at a frequency Mf _{0 is} formed in the Mth degree. Dividing the frequency of this oscillation by M times, with a sufficiently large signal-to-noise ratio, the manipulating sequence and then the information signal can be distinguished by the synchronous detection method. Thus, the use of a sinusoidal carrier does not allow to achieve high structural secrecy SPSK.

Наиболее близким к предлагаемому способу формирования и обработки СФМнС является общеизвестный способ формирования бинарного СФМнС в передатчике и его обработки в приемнике, описанный, например, в книге Варакина Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985 на стр. 16-17 и иллюстрируемый рис.1.7 и 1.8, принятый за прототип. Closest to the proposed method for the formation and processing of SPSK is a well-known method of forming a binary SPSK in the transmitter and its processing in the receiver, described, for example, in the book of L. Varakin. Communication systems with noise-like signals. M .: Radio and communications, 1985 on pages 16-17 and the illustrated Fig. 1.7 and 1.8, adopted as a prototype.

В передатчике последовательность информационных символов +1 и -1 перемножается с бинарной псевдослучайной последовательностью (ПСП), элементы которой также принимают значения ±1. Сформированная таким образом манипулирующая последовательность перемножается с синусоидальным несущим колебанием, вырабатываемым соответствующим генератором. In the transmitter, the sequence of information symbols +1 and -1 is multiplied with a binary pseudo-random sequence (PSP), the elements of which also take values ± 1. The manipulating sequence thus formed is multiplied with a sinusoidal carrier oscillation generated by the corresponding generator.

В приемнике СФМнС переносится на промежуточную частоту, перемножается с синхронной копией ПСП, а затем демодулируется, например, схемой Костаса. In the receiver, the SPSK is transferred to an intermediate frequency, multiplied with a synchronous copy of the SRP, and then demodulated, for example, by the Costas circuit.

Однако такой способ формирования СФМнС не исключает перехвата сигнала информации разведприемником. Так, манипулирующую последовательность можно выделить схемой с квадратором (схемой Пистолькорса), приведенной, например, в книге Линдсея В. Системы синхронизации в связи и управлении. Пер. с англ. М.: Сов. радио, 1978, рис.3.12. на стр.101, либо схемой Костаса, приведенной там же на рис.3.13 на стр.102. Затем, основываясь на свойстве периодичности ПСП, можно выделить и сигнал информации. However, such a method of generating SPSKs does not preclude the interception of the information signal by the reconnaissance receiver. So, a manipulating sequence can be distinguished by a quadrator circuit (Pistolkors circuit), shown, for example, in the book of Lindsay V. Synchronization systems in communication and control. Per. from English M .: Sov. Radio, 1978, Fig. 3.12. on p. 101, or by the Costas diagram given in the same place in Fig. 3.13 on p. 102. Then, based on the periodicity property of the SRP, an information signal can be isolated.

Предлагаемый способ позволяет существенно повысить структурную скрытность бинарных СФМнС при незначительной модернизации аппаратуры. The proposed method can significantly increase the structural secrecy of binary SPSK with a slight hardware upgrade.

Для устранения указанного недостатка в способе формирования и обработки сложного сигнала, включающем на передающей стороне фазовую манипуляцию несущего колебания псевдослучайной последовательностью и сигналом информации, на приемной стороне снятие псевдослучайной последовательности с последующей демодуляцией в схеме Костаса, в качестве несущего колебания используют модифицированный полосовой шум, временные участки которого с амплитудой выше пороговой имеют равномерное распределение фазы в пределах ±π/2 112125 относительно фазы опорного частотно-модулированного колебания, а участки с амплитудой ниже пороговой имеют распределение фазы, равномерное в пределах ±π. Причем обработку сложного сигнала производят схемой Костаса с отслеживанием введенной частотной модуляции несущей. To eliminate this drawback in the method of generating and processing a complex signal, including on the transmitting side, phase-shift keying of the carrier wave by the pseudorandom sequence and the information signal, on the receiving side, the removal of the pseudorandom sequence with subsequent demodulation in the Costas scheme, the modified band noise and temporary sections are used as the carrier wave which with an amplitude above the threshold have a uniform phase distribution within ± π / 2 112 125 relative to the phase PORN frequency-modulated oscillation, and the portions with an amplitude below a threshold have the phase distribution, uniform within ± π. Moreover, the processing of a complex signal is performed by the Costas circuit with tracking of the introduced carrier frequency modulation.

Назовем модифицированный полосовой шум квазишумовой несущей. Схема устройства для осуществления предлагаемого способа формирования СФМнС с квазишумовой несущей приведена на фиг.1, где 1 - генератор шума, 2 - полосовой фильтр, 3 - генератор модулирующего сигнала, 4 - фазовый детектор, 5 - генератор опорного синусоидального колебания с частотной модуляцией, 6 - амплитудный детектор, 7 - амплитудный ограничитель, 8 - пороговое устройство, 9¹ и 9² - первый и второй ключи, 10 - инвертор (схема НЕ), 11¹, 11² и 11³ - первый, второй и третий перемножители, 12 - сумматор, 13 - генератор ПСП.We call the modified band noise a quasi-noise carrier. A diagram of a device for implementing the proposed method of generating an SPSK with a quasi-noise carrier is shown in FIG. 1, where 1 is a noise generator, 2 is a bandpass filter, 3 is a modulating signal generator, 4 is a phase detector, 5 is a frequency sinusoidal reference oscillator, 6 - amplitude detector, 7 - amplitude limiter, 8 - threshold device, 9 ¹ and 9 ² - first and second keys, 10 - inverter (NOT circuit), 11 ¹ , 11 ² and 11 ³ - first, second and third multipliers, 12 - adder, 13 - generator PSP.

Работа устройства происходит следующим образом. Блоки 1 и 2 формируют исходный полосовой шум

блоки 3, 5 вырабатывают опорное синусоидальное колебание, модулированное по частоте (фазе):

где S_мод(t) - модулирующий сигнал.The operation of the device is as follows.

Blocks

1 and 2 form the original band noise

blocks 3, 5 generate a reference sinusoidal oscillation, modulated in frequency (phase):

where S _mod (t) is the modulating signal.

На выходе фазового детектора 4 образуется напряжение
U₄(t)≈cos[φ_ш(t)-φ_on(t)],
а на выходе амплитудного ограничителя 7

Если временно исключить из рассмотрения ключ 9¹, на выходе перемножителя 11¹ сформируется напряжение

Таким образом, на выходе перемножителя 11¹ векторы напряжения

всегда будут находиться в одной полуплоскости (в фазе) (фиг. 2).The output of the phase detector 4 produces a voltage
U ₄ (t) ≈cos [φ _w (t) -φ _on (t)],
and at the output of the amplitude limiter 7

If the key 9 ^{1 is} temporarily excluded from consideration, a voltage is generated at the output of the multiplier 11 ¹

Thus, at the output of the multiplier 11 ¹ voltage vectors

will always be in one half-plane (in phase) (Fig. 2).

Ключ 9¹ исключает из выходного напряжения перемножителя 11¹ временные участки с малыми амплитудами. Эти участки полосового шума с выхода блока 2 пропускаются без изменения ключом 9². В результате на выходе сумматора 12 участки полосового шума с амплитудами выше порога будут иметь распределение фазы, равномерное в интервале ±π/2 относительно фазы опорного колебания, а участки полосового шума с амплитудами ниже порога будут иметь равномерное распределение в интервале ±π.
Сформированная таким образом квазишумовая несущая инверсно манипулируется в перемножителе 11² бинарной последовательностью с элементами ±1, образованной перемножением ПСП и сигнала информации. В результате на выходе перемножителя 11² формируется СФМнС с квазишумовой несущей. Эпюры напряжений в различных точках схемы на фиг.1 приведены на фиг.3.The key 9 ¹ excludes from the output voltage of the multiplier 11 ¹ temporary sections with small amplitudes. These sections of band noise from the output of block 2 are passed without changing the key 9 ² . As a result, at the output of adder 12, the sections of strip noise with amplitudes above the threshold will have a phase distribution uniform in the interval ± π / 2 relative to the phase of the reference oscillation, and the sections of strip noise with amplitudes below the threshold will have a uniform distribution in the range ± π.
The quasi-noise carrier thus formed is invertedly manipulated in the multiplier 11 ^{2 by a} binary sequence with elements ± 1 formed by multiplying the SRP and the information signal. As a result, at the output of the multiplier 11 ² is formed SPSK with quasi-noise carrier. Voltage plots at various points in the circuit of figure 1 are shown in figure 3.

В приемнике нашей радиолинии ПСП снимается, и на схему Костаса поступает квазишумовая несущая, манипулированная сигналом информации. В схеме Костаса система ФАП усредняет шумовые флюктуации фазы и формирует колебание, подобное опорному синусоидальному колебанию на выходе блока 5 в передатчике (фиг. 1). In the receiver of our radio line, the SRP is removed, and a quasi-noise carrier, manipulated by an information signal, enters the Kostas circuit. In the Kostas scheme, the FAP system averages the noise phase fluctuations and generates an oscillation similar to the reference sinusoidal oscillation at the output of block 5 in the transmitter (Fig. 1).

Частотная модуляция опорного колебания отслеживается системой ФАП аналогично доплеровскому сдвигу частоты. Известно [Цифровые системы фазовой синхронизации. Под ред. М.И. Жодзишского. М.: Сов. радио, 1980, стр.166], что для отслеживания изменения частоты несущей со скоростью F'_д системой ФАП 2-го порядка необходима полоса

Следовательно, введение частотной модуляции несущей ограничивает снизу шумовую полосу системы ФАП, что резко снижает чувствительность разведприемника.The frequency modulation of the reference oscillation is monitored by the phase response system similar to the Doppler frequency shift. Known [Digital phase synchronization systems. Ed. M.I. Zhodzishsky. M .: Sov. Radio, 1980, p. 166], that to track the change in the carrier frequency with a speed F ' _{d of} the second-order phase-first-phase-angle system

Therefore, the introduction of carrier frequency modulation limits the bottom noise band of the FAP system, which drastically reduces the sensitivity of the reconnaissance receiver.

Очевидно, в режиме синхронизма при отсутствии сигнала информации напряжение на входе фильтра синфазного канала большую часть времени (когда фаза квазишумовой несущей находится в пределах ±π/2 будет положительным. Результаты компьютерного моделирования подтверждают этот вывод. На фиг.4а показано напряжение на выходе синфазного канала при отсутствии сигнала информации. Информационные символы, имеющие относительно большую длительность Т_и, будут выделяться схемой Костаса правильно. На фиг.4б показан сигнал на выходе фильтра синфазного канала, а на фиг.4в - на выходе интегратора со сбросом.Obviously, in the synchronism mode, in the absence of an information signal, the voltage at the input of the common-mode filter most of the time (when the phase of the quasi-noise carrier is within ± π / 2 will be positive. Computer simulation results confirm this conclusion. Figure 4a shows the voltage at the output of the common-mode channel in the absence of the information signal. The information symbols having a relatively large duration T _and will be allocated Kostas circuit correctly. 4B shows a filter output signal to inphase Nala and 4B - the output of the integrator with reset.

В разведприемнике, построенном по схеме Пистолькорса, при удвоении частоты функция распределения фазы становится равномерной в интервале ±π, что свидетельствует об отсутствии спектральной составляющей на удвоенной частоте несущей (фиг. 5). Таким образом, синусоидальная несущая даже при отсутствии манипуляции не выделяется разведприемником, построенным по схеме Пистолькорса. In a reconnaissance receiver constructed according to the Pistolkors scheme, when the frequency is doubled, the phase distribution function becomes uniform in the interval ± π, which indicates the absence of a spectral component at the doubled carrier frequency (Fig. 5). Thus, a sinusoidal carrier, even in the absence of manipulation, is not distinguished by a reconnaissance receiver constructed according to the Pistolkors scheme.

В разведприемнике, построенном по схеме Костаса, на входе этой схемы действует входной СФМнС без снятия ПСП. Длительность элемента ПСП τ_э много меньше длительности информационного символа T_и:τ_э≪T_и. Полосы канальных фильтров схемы Костаса разведприемника должны быть не менее 1/τ_э, т.е. выделение элементов ПСП в разведприемнике происходит при гораздо большем уровне шума, чем выделение информационных символов в приемнике нашей радиолинии. Следовательно, резко возрастает вероятность ошибки при демодуляции элементов ПСП, особенно при малых значениях амплитуды квазишумовой несущей (фиг.4г, д). На фиг.4д звездочками отмечены ошибочно принятые элементы.In an intelligence receiver constructed according to the Kostas scheme, an input SPSK operates at the input of this scheme without removing the SRP. The duration of the SRP element τ _{e is} much less than the duration of the information symbol T _and : τ _e ≪ T _and . The bandwidth of the channel filters of the Costas circuit of the reconnaissance receiver should be at least 1 / τ _e , i.e. the allocation of elements of the SRP in the reconnaissance receiver occurs at a much higher noise level than the allocation of information symbols in the receiver of our radio line. Therefore, the probability of error sharply increases when demodulating the elements of the SRP, especially at small values of the amplitude of the quasi-noise carrier (Fig. 4d, e). In Fig. 4e, asterisks mark erroneously received elements.

Таким образом, использование квазишумовой несущей практически исключает возможность перехвата сигнала информации потенциальным разведприемником при незначительном снижении помехоустойчивости приемника нашей радиолинии и минимальной модернизации аппаратуры. Thus, the use of a quasi-noise carrier virtually eliminates the possibility of an information signal being intercepted by a potential reconnaissance receiver with a slight decrease in the noise immunity of the receiver of our radio line and minimal equipment upgrades.

Claims

A method for generating and processing a complex signal in noise-protected radio systems, including on the transmitting side a phase shift keying of the carrier wave with a pseudorandom sequence and an information signal, on the receiving side, removing a pseudorandom sequence with subsequent demodulation in the Costas scheme, characterized in that the modified band noise is used as the carrier wave, the temporary sections of which with an amplitude above the threshold have a uniform phase distribution within ± π / 2 112 125 rel relative to the phase of the reference frequency-modulated oscillation, and sections with an amplitude below the threshold have a phase distribution uniform within ± π, and the complex signal is processed by the Costas circuit with tracking of the introduced carrier frequency modulation.