RU2210858C2

RU2210858C2 - Способ помехоустойчивой передачи информации

Info

Publication number: RU2210858C2
Application number: RU2001127208/09A
Authority: RU
Inventors: И.Б. Дунаев; Леонид Алексеевич Летунов
Original assignee: Дунаев Игорь Борисович
Priority date: 2001-10-08
Filing date: 2001-10-08
Publication date: 2003-08-20
Also published as: WO2003032595A1; JP2005505996A; US20040252780A1; US7187720B2; ATE472883T1; JP3998637B2; EP1445904B1; EP1445904A4; DE60236883D1; EP1445904A1; CN1557081A

Abstract

Способ помехоустойчивой передачи информации заключается в том, что передают информационные цифровые отсчеты в виде аналогового сигнала, дополненного сигналом избыточной информации. Технический результат достигается благодаря тому, что на передающей стороне выбирают по меньшей мере одну реперную точку между информационными отсчетами, определяют значение аналогового сигнала, в который преобразованы информационные цифровые отсчеты с помощью второй функции отсчетов, в каждой выбранной реперной точке, преобразуют отсчеты в реперных точках в сигнал избыточной информации, чтобы дополнить аналоговый сигнал, выбирают разность между уровнями мощности для передачи старших разрядов каждого информационного отсчета в зависимости от заданного соотношения сигнал/шум на входе приемной стороны, а для передачи отсчетов реперных точек, имеющих меньшую разрядность, выбирают уровни мощности, разность между которыми меньше разности, выбранной для уровней мощности для старших разрядов, на приемной стороне по восстановленным цифровым отсчетам находят младшие разряды путем вычитания старших разрядов, строят по найденным младшим разрядам огибающую с помощью второй функции отсчетов и находят значение этой огибающей в соответствующей реперной точке, сравнивают найденное значение огибающей с соответствующим значением, восстановленным из принятого сигнала, в отсутствие совпадения сравниваемых значений подбирают набор из цифровых отсчетов, обеспечивающий это совпадение, что и составляет корректировку. Технический результат, достигаемый при реализации способа, состоит в повышении пропускной способности канала связи без снижения помехоустойчивости передачи данных. 4 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к способу передачи информации и может использоваться в системах связи, измерений и т.п.

Существующий уровень техники
В настоящее время известны многие способы повышения помехоустойчивости передаваемой информации с помощью различных кодов, обнаруживающих и/или исправляющих ошибки.

Наиболее близким аналогом является способ помехоустойчивой передачи информации, в котором на передающей стороне: преобразуют последовательность k-разрядных (k>1 - целое число) информационных цифровых отсчетов в аналоговый сигнал с помощью первой функции отсчетов; дополняют полученный аналоговый сигнал сигналом избыточной информации; передают дополненный аналоговый сигнал по линии связи; на приемной стороне: принимают переданный аналоговый сигнал из линии связи; восстанавливают из принятого аналогового сигнала упомянутую последовательность информационных цифровых отсчетов; корректируют восстановленные информационные цифровые отсчеты с помощью избыточной информации (В.Л. Банкет, В.М. Дорофеев. Цифровые методы в спутниковой связи. - М. : Радио и связь, 1988, стр.131-142).

Недостатком этого способа является малая пропускная способность канала вследствие того, что избыточная информация составляет до половины передаваемой информации.

Таким образом, цель настоящего изобретения состоит в обеспечении такого способа помехоустойчивой передачи информации, который позволил бы повысить пропускную способность канала связи без снижения помехоустойчивости передаваемой информации.

Для решения этой задачи в способе помехоустойчивой передачи информации, в котором на передающей стороне: преобразуют последовательность k-разрядных (k>1 - целое число) информационных цифровых отсчетов в аналоговый сигнал путем перемножения с сигналом функции отсчетов; дополняют полученный аналоговый сигнал сигналом избыточной информации; передают дополненный аналоговый сигнал по линии связи; на приемной стороне: принимают переданный аналоговый сигнал из линии связи; восстанавливают из принятого аналогового сигнала последовательность информационных цифровых отсчетов; корректируют восстановленные информационные цифровые отсчеты с помощью избыточной информации, согласно настоящему изобретению, на передающей стороне: для каждого из n временных интервалов (n>1 - целое число), содержащих по m информационных цифровых отсчетов (m>1 - целое число), выбирают по меньшей мере одну реперную точку между информационными цифровыми отсчетами; определяют значение аналогового сигнала, в который преобразованы m информационных цифровых отсчетов данного временного интервала, путем перемножения с сигналом другой функции отсчетов, в каждой выбранной реперной точке в виде (k-i)-разрядного цифрового отсчета, представляющего собой младшие разряды k-разрядного цифрового отсчета (k>i>1 - целое число, зависящее от величины порога срабатывания в демодуляторе, используемом на приемной стороне); преобразуют цифровые отсчеты в n реперных точках в сигнал избыточной информации на дополнительных временных интервалах, чтобы дополнить им аналоговый сигнал для получения дополненного аналогового сигнала; в аналоговом сигнале выбирают разность между уровнями мощности для передачи старших i разрядов каждого k-разрядного информационного цифрового отсчета в зависимости от заданного соотношения сигнал/шум на входе приемной стороны, при этом для передачи (k-i)-разрядных цифровых отсчетов реперных точек выбирают уровни мощности, разность между которыми меньше разности, выбранной для уровней мощности, предназначенных для передачи старших i разрядов, для большей защищенности старших разрядов от помех; на приемной стороне: по восстановленным из принятого сигнала цифровым k-разрядным отсчетам находят младшие (k-i) разрядов путем вычитания i старших разрядов из восстановленных цифровых отсчетов; определяют по найденным младшим (k-i) разрядам огибающую путем перемножения с сигналом другой функции отсчетов и находят значение этой огибающей в соответствующей реперной точке; сравнивают найденное значение огибающей в конкретной реперной точке с соответствующим значением, восстановленным из принятого сигнала; при совпадении с заданной точностью сравниваемых значений принимают решение о безошибочном приеме цифровых отсчетов на соответствующем временном интервале; в отсутствие такого совпадения сравниваемых значений подбирают набор из (k-i)-разрядных цифровых отсчетов, обеспечивающий совпадение, что и составляет корректировку.

Особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что на каждом временном интервале выбирают, к примеру, одну реперную точку между m-м информационным цифровым отсчетом этого временного интервала и первым информационным цифровым отсчетом следующего временного интервала, либо на каждом временном интервале выбирают две реперные точки между его информационными цифровыми отсчетами.

При этом каждую реперную точку можно выбирать посередине временного отрезка между соответствующими цифровыми отсчетами.

Значения величин n, m, k выбирают в следующих пределах:
1<n<128, 8<m<8192, 2<k<14.

Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение поясняется с помощью описания примеров его выполнения со ссылками на сопровождающие чертежи.

Фиг.1 представляет блок-схему передающей стороны системы связи, реализующей способ по настоящему изобретению.

Фиг.2 представляет блок-схему приемной стороны системы связи, реализующей способ по настоящему изобретению.

Фиг. 3 показывает примерное соотношение между уровнями мощности разрядов информационного отсчета.

Фиг. 4 показывает расположение реперных точек среди отсчетов на соседних временных интервалах.

Подробное описание изобретения
Способ помехоустойчивой передачи информации в соответствии с настоящим изобретением реализуется, например, в системе связи, блок-схемы передающей и приемной сторон которой показаны соответственно на фиг.1 и 2.

Передающая сторона системы связи содержит (фиг.1) формирователь 1 огибающей, формирователь 2 избыточной информации, сумматор 3 и блок 4 однополосного переноса на несущую частоту. Информационные входы формирователей 1 и 2 являются соответственно первым и вторым информационными входами 15 и 16, а входы синхронизации формирователей 1, 2 объединены и являются входом 17 кадровой синхронизации. Выходы формирователей 1 и 2 соединены со входами сумматора 3, выход которого подключен ко входу блока 4 однополосного переноса на несущую частоту, выход которого подключен ко входу канала 5 связи, например, радиолинии.

В схеме по фиг.1 первый формирователь 1 огибающей осуществляет преобразование цифровых отсчетов информационной последовательности в многоуровневные сигналы. Формирователь 2 избыточной информации преобразует цифровые отсчеты реперных точек этой же информационной последовательности в многоуровневные сигналы, число уровней в которых меньше числа уровней в сигналах на выходе формирователя 1 огибающей. Блок 4 однополосного переноса на несущую частоту представляет собой любой известный блок, обеспечивающий однополосную модуляцию несущей частоты передаваемым суммарным сигналом с сумматора 3.

Приемная сторона этой системы связи содержит (фиг.2) блок 6 однополосного переноса с несущей частоты, выделитель 7 тактовой частоты, выделитель 8 кадровой синхронизации, разделитель 9 основной и избыточной информации, первый и второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 10 и 11, выделитель 12 младших разрядов, восстановитель 13 младших разрядов и выходной формирователь 14 сообщения. Вход блока 6 подключен к выходу канала 5 связи. Выход блока 6 соединен со входами выделителя 7 тактовой частоты и выделителя 8 кадровой синхронизации и с информационным входом разделителя 9 основной и избыточной информации. Первый и второй выходы разделителя 9 подключены соответственно к информационным входам первого и второго АЦП 10 и 11, тактовые входы которых подключены к выходу выделителя 7 тактовой частоты. Выход выделителя 8 кадровой синхронизации соединен со входом синхронизации разделителя 9, второй выход которого соединен также с первым входом восстановителя 13 младших разрядов. Выходы АЦП 10 и 11 соединены со входами выделителя 12 младших разрядов, выход которого подключен ко второму входу восстановителя 13, выход которого и выход второго АЦП 11 соединены с первым и вторым входами выходного формирователя 14 сообщений, выход которого является выходом приемной стороны. Функции, выполняемые блоками приемной стороны, будут описаны далее.

Способ помехоустойчивой передачи информации согласно настоящему изобретению реализуется в системе связи по фиг.1 и 2 следующим образом.

Информационное сообщение поступает на информационный вход 15 в виде k-разрядных цифровых отсчетов. Величина k выбирается исходя из соответствующих протоколов для используемой линии связи (например, для телефонии - протоколы V32, V34, V92; для радиосвязи - международные нормы 308, 309, 310). В формирователе 1 огибающей этим отсчетам ставятся в соответствие значения многоуровневого сигнала. На фиг.3 показано распределение уровней многоуровневого сигнала для случая k=3. При этом уровни (амплитуды или мощности) распределены неравномерно: на фиг.3 пары уровней многоуровневого сигнала разнесены на больший интервал, чем уровни в паре. Благодаря этому среди уровней многоуровневого сигнала всегда имеются уровни, соответствующие неразрешенным кодовым комбинациям. В общем случае эти разные соотношения зависят от заданного соотношения сигнал/шум в системе связи.

Получающееся на выходе формирователя 1 колебание показано на фиг.4. В данном описании вопросы кадровой и тактовой синхронизации не рассматриваются, т.к. оба этих вида синхронизации могут обеспечиваться с помощью любого подходящего известного метода и не входят в объем патентных притязаний по настоящему изобретению.

Как видно из фиг.4, кадр цифровых отсчетов, или временной интервал обработки включает в себя m цифровых отсчетов (например, m=128). На каждом временном интервале выбираются реперные точки, расположенные между цифровыми отсчетами. Минимальное число этих точек на одном временном интервале равно 1. В этом случае реперная точка выбирается между последним (m-м) цифровым отсчетом данного временного интервала и первым цифровым отсчетом следующего временного интервала. При большем числе реперных точек они располагаются внутри одного временного интервала. Предпочтительно (хотя и не обязательно) располагать реперные точки посередине между цифровыми отсчетами.

В реперных точках определяются соответствующие цифровые отсчеты, причем эти цифровые отсчеты для реперных точек имеют меньшее число разрядов (k-i), чем информационные цифровые отсчеты. Например, i=1, тогда при k=3 отсчеты реперных точек имеют только два разряда. Эти отсчеты в реперных точках получаются путем построения аналогового сигнала из цифровых отсчетов с помощью некоторой заданной функции отсчетов. Это может быть, к примеру, общеизвестная функция вида

либо иная функция, к примеру, функция вида

.

Суммарный сигнал функций отсчетов, умноженных на соответствующие цифровые отсчеты, и определит отсчет данной реперной точки.

Эти (k-i)-разрядные отсчеты поступают на информационный вход формирователя 2 избыточной информации, который, как и формирователь 1, преобразует цифровые отсчеты реперных точек в значения многоуровневого сигнала, число уровней которого, однако, меньше, чем у сигнала в формирователе 1. В приведенном выше примере число этих уровней в сигнале формирователя 2 равно четырем.

Каждый из формирователей 1 и 2 имеет в своем составе буфер для временного хранения преобразуемых сигналов. Это сделано для того, чтобы несколько кадров (временных интервалов обработки) передаваемого сообщения предварить, к примеру, одним кадром, в котором собраны отсчеты реперных точек из указанных нескольких кадров. В рассмотренном выше случае в одном кадре из 128 отсчетов можно передать значения восьми реперных точек, кодируемых шестнадцатью отсчетами. Если в информационном сообщении 32 временных интервала, а реперные точки выбираются по одной на их границах, то для передачи 32 реперных точек потребуется всего 4 временных интервала. В сумматоре 3 осуществляется сложение многоуровневых сигналов с формирователя 2 в течение 4 временных интервалов, а затем с формирователя 1 в течение 32 временных интервалов. Получающийся сигнал в виде общей огибающей подается на блок 4, который осуществляет однополосную модуляцию суммарного сигнала и перенос сигнала на несущую частоту. При этом может использоваться та же функция отсчетов, что и ранее описанная, хотя предпочтительнее для целей передачи использовать иную функцию отсчетов. Сигнал с выхода блока 4 поступает в канал 5 связи. В данном описании не рассматриваются вопросы переноса сигнала на несущую частоту, равно как и вопросы передачи сигнала по каналу связи, т.к. эти действия могут осуществляться любым пригодным известным методом и не входят в объем патентных притязаний по настоящему изобретению.

Пройдя по каналу 5 связи, суммарная огибающая может приобрести некоторые искажения вследствие помех в реальном канале 5 связи. Это приведет к искажению некоторых значений суммарной огибающей. Однако, вследствие того, что формируемый в формирователе 1 сигнал имеет разнесенные группы уровней, старшие разряды информационного сигнала, т.е. старшие разряды k-разрядных отсчетов будут декодированы правильно. Это значит, что на приемной стороне практически всегда можно отнести переданное значение к той или иной паре уровней (фиг. 3). В случае, когда значения k и i отличаются от значений в вышеприведенном примере (3 и 1 соответственно), вид многоуровневого сигнала будет отличаться от приведенного на фиг.3. Но в любом случае i старших разрядов будут передаваться с большей помехозащищенностью, чем остальные разряды, и поэтому их можно определить практически без ошибок.

На приемной стороне (фиг.2) блок 6 переносит принятые сигналы с несущей частоты. Выделители 7 и 8 обеспечивают выделение из принятого сигнала соответственно тактовой частоты и частоты кадровой синхронизации, которые затем используются в последующих блоках приемной стороны. В частности, сигнал кадровой синхронизации с выделителя 8 подается в разделитель 9 для разграничения групп кадров (групп временных интервалов) так же, как они группировались на передающей стороне. Перенос сигналов с несущей частоты и выделение тактовой частоты и частоты синхронизации осуществляется любыми подходящими известными методами, что не входит в объем патентных притязаний по данному изобретению.

Разделитель 9 по сигналам кадровой и тактовой синхронизации обеспечивает на своих первом и втором выходах соответственно сигналы, которыми кодировалось информационное сообщение, и сигналы, которыми закодированы значения в реперных точках. Эти раздельные сигналы подаются каждый на свой АЦП 10 и 11, с выходов которых цифровые отсчеты поступают на входы выделителя 12 младших разрядов. В этом выделителе 12 из принятых отсчетов вычитаются старшие разряды. С выхода выделителя 12 младшие разряды информационного сигнала подаются на соответствующий вход восстановителя 13 младших разрядов. На другой вход этого восстановителя 13 подаются выделенные из принятого сигнала значения реперных точек. В восстановителе 13 по найденным в выделителе 12 младшим разрядам строят огибающую принятых информационных отсчетов с помощью той же функции отсчетов, что и на передающей стороне для определения значения огибающей в реперной точке. Эта огибающая, из-за воздействия шумов (помех) в канале 5 связи на младшие разряды, возможно, будет отличаться от огибающей на передающей стороне. Значение этой построенной огибающей в реперной точке сравнивают со значением в этой же реперной точке, полученным из принятого сигнала в разделителе 9. Если эти значения совпадают с заранее заданной точностью, восстановитель 13 выдает соответствующий сигнал на выходной формирователь 14, который при этом пропускает отсчеты с АЦП 11 без изменений.

Если же восстановитель 13 обнаружит несовпадение упомянутых значений, т. е. если разница между значениями в реперной точке, вычисленными с помощью функции отсчетов и найденными в принятом сигнале, превышает заранее заданный порог, на формирователь 14 поступает соответствующий сигнал, по которому этот формирователь 14 вычисляет точные значения искаженных в канале связи отсчетов и выдает их на выход.

Блоки 12-14 целесообразно выполнять в программном виде.

В таблице приведены результаты моделирования системы связи, использующей способ по настоящему изобретению. Эти результаты получены для вероятности появления ошибки не хуже, чем 10^-8, в телефонном канале с полосой 3,1 кГц. Как следует из этой таблицы, помехоустойчивость передачи информации в соответствии с данным способом приближается к порогу Шеннона, который составляет 39 кбит/с для соотношения сигнал/шум 40 дБ. При этом пропускная способность канала связи повышается по сравнению с кодированием по Витерби, при котором пропускная способность снижается вдвое от безызбыточной передачи.

Промышленная применимость
Данное изобретение может использоваться в технике связи, измерениях и в любых иных приложениях, где необходимо передать или преобразовать информацию без искажений.

Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на конкретный пример его реализации, этот пример никоим образом не ограничивает объема патентных притязаний, который определяется прилагаемой формулой изобретения с учетом возможных эквивалентов.

Claims

1. Способ помехоустойчивой передачи информации, в котором на передающей стороне преобразуют последовательность k-разрядных (k>1 - целое число) информационных цифровых отсчетов в аналоговый сигнал путем перемножения с сигналом функции отсчетов, дополняют полученный аналоговый сигнал сигналом избыточной информации, передают дополненный аналоговый сигнал по линии связи, на приемной стороне, принимают переданный аналоговый сигнал из линии связи, восстанавливают из принятого аналогового сигнала упомянутую последовательность информационных цифровых отсчетов, корректируют восстановленные информационные цифровые отсчеты с помощью избыточной информации, отличающийся тем, что на передающей стороне для каждого из n временных интервалов (n>1 - целое число), содержащих по m информационных цифровых отсчетов (m>1 - целое число), выбирают по меньшей мере одну реперную точку между информационными цифровыми отсчетами, определяют значение аналогового сигнала, в который преобразованы m информационных цифровых отсчетов данного временного интервала путем перемножения с сигналом другой функции отсчетов, в каждой выбранной реперной точке в виде (k-i)-разрядного цифрового отсчета, представляющего собой младшие разряды k-разрядного цифрового отсчета (k>i>1 - целое число, зависящее от величины порога срабатывания в демодуляторе, используемом на приемной стороне), преобразуют цифровые отсчеты в n реперных точках в упомянутый сигнал избыточной информации на дополнительных временных интервалах, чтобы дополнить им упомянутый аналоговый сигнал для получения упомянутого дополненного аналогового сигнала, в аналоговом сигнале выбирают разность между уровнями мощности для передачи старших i разрядов каждого k-разрядного информационного цифрового отсчета в зависимости от заданного соотношения сигнал/шум на входе приемной стороны, при этом для передачи упомянутых (k-i)-разрядных цифровых отсчетов реперных точек выбирают уровни мощности, разность между которыми меньше разности, выбранной для уровней мощности, предназначенных для передачи упомянутых старших i разрядов, для большей защищенности упомянутых старших разрядов от помех, на приемной стороне по восстановленным из принятого сигнала цифровым k-разрядным отсчетам находят младшие (k-i) разрядов путем вычитания i старших разрядов из упомянутых восстановленных цифровых отсчетов, определяют по найденным младшим (k-i) разрядам огибающую путем перемножения с сигналом упомянутой другой функции отсчетов и находят значение этой огибающей в соответствующей реперной точке, сравнивают найденное значение огибающей в конкретной реперной точке с соответствующим значением, восстановленным из принятого сигнала, при совпадении с заданной точностью упомянутых сравниваемых значений принимают решение о безошибочном приеме цифровых отсчетов на соответствующем временном интервале, в отсутствие такого совпадения упомянутых сравниваемых значений подбирают набор из (k-i)-разрядных цифровых отсчетов, обеспечивающий упомянутое совпадение, что и составляет упомянутую корректировку.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на каждом временном интервале выбирают одну реперную точку между m-ым информационным цифровым отсчетом этого временного интервала и первым информационным цифровым отсчетом следующего временного интервала.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на каждом временном интервале выбирают две реперные точки между информационными цифровыми отсчетами данного временного интервала.

4. Способ по п. 2 или 3, отличающийся тем, что каждую реперную точку выбирают посередине временного отрезка между соответствующими информационными цифровыми отсчетами.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выбирают 1<n<128,8<m<8192,2<k<14.