RU2427075C2 - Асинхронно-кепстральный способ выделения закодированной информации, передаваемой потребителю с помощью сверхширокополосных импульсов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к теории информации и предназначено для выделения последовательностей логических нулей либо единиц в процессе декодирования информации из последовательности сверхширокополосных гауссовых импульсов. Достигаемый технический результат - обеспечение достоверности выделения информации. Способ характеризуется тем, что при кодировании информации используется сверхширокополосный сигнал, состоящий из импульсов наносекундной длительности, описываемых первой производной гауссовой функции, последовательность этих импульсов будет включать импульсы, следующие с постоянным периодом и называемые «опорными», а также импульсы, располагаемые между опорными и называемые «центральными», информация о кодировании логического «нуля» либо «единицы» будет содержаться во временном положении «центральных» импульсов относительно «опорных», эти задержки импульсов определяют на основе кепстральной обработки, а определенные таким образом временные задержки затем преобразовывают в последовательность логических «нулей» и единиц». 9 ил.

Description

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 τ 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 Δt, причем τ≤Δt≤(Т-τ), объект Y осуществляет обнаружение СШПИ. Временное окно формируют через интервал времени t_k=T+kΔt, 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 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 T+Δt₁, а кодирование логического «нуля» - в момент времени Т-Δt₁. 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 Δt, 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_cp сигнала в дополнительном канале. Выбирают пороговое значение U_пор сигнала выше U_cp 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 Δt (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 при скорости передачи данных от 2 до 10 Мбит/с.

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.

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 τ_ри на несущей частоте f. Гармонический сигнал следует с периодом повторения Т_п. Сверхширокополосный сигнал формируют из последовательности СШПИ наносекундной длительности τ 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+Δt₁, а кодирование логического «нуля» - в момент времени Т_п-Δt₁. 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 Δt_ок=2Δt₁+τ 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_cp сигнала в дополнительном канале, выбирают уровень порогового сигнала U_пор выше U_cp на величину, обеспечивающую требуемую вероятность ошибки на бит информации. Сравнивают уровень сигналов в сигнальном канале с уровнем порога U_пор. При превышении сигналом во временном окне порогового уровня U_пор принимают решение о наличии СШПИ СШПС и фиксируют его временное положение относительно центра временного окна. При обнаружении СШПИ СШПС в момент времени Т_п+Δt₁ относительно центра временного окна или в момент времени Т_п-Δt₁ 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 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.

Задачей изобретения является обеспечение достоверного выделения информации при работе источника передачи сообщений и пункта приема сообщений в режиме, не требующем их синхронизации.

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 сверхширокополосных импульсов (КПСШПИ), состоящую из импульсов наносекундной длительности, каждый из которых описывается первой производной гауссовой функции. При этом последовательность СШП импульсов будет включать импульсы, следующие с постоянным периодом и называемые «опорными», а также импульсы, располагаемые между опорными и называемые «центральными». Информация о логическом «нуле» либо «единице» при таком способе кодирования будет содержаться во временном положении «центральных» импульсов относительно «опорных». Выделение информации предлагается производить в электронно-вычислительной машине (ЭВМ). При этом временные задержки импульсов 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 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 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 и интегрирование каждого из импульсов принятой кодограммы;

5) растяжение каждого проинтегрированного импульса кодограммы;

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

7) передача информации с АЦП в ЭВМ;

8) разделение при помощи ЭВМ принятой цифровой информации на массивы данных, каждый из которых соответствует временному интервалу Δ, включающему два смежных оцифрованных импульса одинаковой формы, причем смежные интервалы Δ не пересекаются;

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

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

11) передача объектом Y объекту X 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, 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 импульсов наносекундной длительности, описываемых 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.

Для кодирования предлагается использовать периодическую последовательность гауссовых импульсов, состоящую из расположенных в определенном порядке «опорных» и «центральных» импульсов. Опорные импульсы отличаются от «центральных» тем, что их период следования Т постоянен, а период следования «центральных» импульсов может изменяться. Вся информация о кодировании будет заключаться во временном положении «центрального» СШП импульса относительно «опорных». При временном положении «центрального» СШП импульса с опережением «опорного» на 0,2Т результат кодирования соответствует логической «единице», а при положении «центрального» СШП импульса с опережением «опорного» на 0,4Т результат кодирования соответствует логическому «нулю» (фиг.1). Таким образом, всю информацию о кодировании логического «нуля» или «единицы» предлагается заключить в задержках между импульсами. При данном способе кодирования информации необходимо соблюдать условие: Т1<Т2<Т, где Т1=0,2Т, Т2=0,4Т - задержки между «опорными» и «центральными» импульсами; Т - период следования «опорных» импульсов, составляющий порядка десятков наносекунд.

Из данного условия следует, что каждый бит информации кодируется одним «опорным» и одним «центральным» СШП импульсом. При этом набор нескольких бит информации будет представлять собой некоторое сообщение, именуемое кодограммой, которое излучается в пространство из первой точки объектом X и принимается во второй точке пространства объектом Y.

После приема кодограммы объектом Y и усиления КПСШПИ (кодограммы) их предлагается проинтегрировать. Интегратор будет представлять собой пассивную RC-цепь.

После интегрирования будет получена последовательность однополярных сверхширокополосных импульсов, которая сохраняет полезную информацию во временных задержках между импульсами, форма каждого из импульсов после интегрирования описывается выражением

На эпюре а фиг.2, для примера, представлена часть кодограммы, состоящая из последовательности импульсов до интегрирования, а на эпюре 6 фиг.2 - после интегрирования. Интегрирование необходимо для осуществления операции растяжения импульсов и их дальнейшей оцифровки, так как при форме импульса, отличной от однополярной (эпюра а фиг.2), импульсы не только растягиваются, но и меняют свою форму. На фиг.3, для примера, изображен результат растяжения СШП импульсов, отличающихся по форме от однополярных.

Растяжение импульсов необходимо для обеспечения процесса оцифровки сигнала аналого-цифровым преобразователем, так как при подаче на вход АЦП импульсов наносекундной длительности для достоверного восстановления их формы квантованными значениями на выходе АЦП необходимо иметь в пределах длительности импульса достаточное количество отсчетов. Это количество определяется частотой дискретизации самого АЦП. К примеру, при подаче на вход АЦП (с частотой дискретизации 2 ГГц) импульса длительностью 1 нс количество оцифрованных в нем отсчетов будет равно 2, чего явно недостаточно для качественного описания формы импульса. При увеличении длительности импульса, например, в 10 раз число оцифрованных отсчетов в пределах импульса будет равно уже 20. Исследования показали, что для достоверного восстановления формы сигнала, описываемого выражением (1), количество оцифрованных отчетов должно быть не менее 10.

Для растяжения СШП сигнал после интегрирования с помощью делителя с К выходами разделяется по мощности на К частей. Затем каждая из частей задерживается на время t_зk, вычисляемое по формуле

,

где

; τ_ои - длительность одиночного СШП импульса после интегрирования.

При этом количество линий задержки Н будет равно Н=К-1. После задержки все сигналы складываются по мощности в сумматоре.

Схема, реализующая процесс растяжения [4], представлена на фиг.4, где использованы следующие обозначения: блок 1 - делитель, блок 2 - блок линий задержки, блок 3 - линия задержки, блок 4 - сумматор. Под U_вх подразумевается СШП сигнал после интегрирования, под U_вых - выходной сигнал сумматора, поступающий на вход АЦП. Первая линия задержки 3 задерживает сигнал второго выхода делителя 1 на t_з1=0,25τ_ои. Вторая линия задержки 3 задерживает сигнал с третьего выхода делителя 1 на t_з2=0,5τ_ои, а h-я линия задержки 3, где

, задерживает сигнал (h+1)-го выхода делителя 1 на t_3h=0,25τ_оиh. Линия задержки 3 под номером Н задерживает сигнал с выхода делителя 1 под номером К=Н+1 на t_зh=0,25σ_оиН.

Величина К будет определяться длительностью СШП импульсов после интегрирования и необходимой длительностью СШП импульсов для АЦП. Значение К должно быть целым, в связи с чем для правильного выбора К целесообразно использовать неравенство

где

- минимальная длительность СШП импульса, которую необходимо иметь для получения нужного числа отсчетов после аналого-цифрового преобразования данного импульса; F_д - частота дискретизации АЦП.

В последующем растянутые СШП импульсы оцифровывают при помощи АЦП. Сверхширокополосные импульсы, становясь шире по длительности, не требуют повышения частоты дискретизации АЦП и сохраняют информацию о кодировании во временных задержках между собой (фиг.5).

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 растянутой последовательности сверхширокополосных импульсов, ограниченной временным интервалом длительностью Δ. Причем величина Δ, соответствующая z-му пробному интервалу Δ_z, равна Т.

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)-m элементом массива D, где число элементов N в пробном массиве определяется по формуле

.

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, а 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.

После этого элементы каждого z-го пробного массива последовательно подвергают кепстральной обработке [5] по схеме, представленной на фиг.7. Вначале элементы каждого z-го пробного массива подвергаются дискретному прямому преобразованию Фурье [6] 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 пробного массива, S_nz - значение амплитуды n-го по номеру отсчета, находящегося в z-м пробном массиве.

В последующем для каждого z-го пробного массива 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 Δ_z, вычисляют дискретное обратное преобразование Фурье [6] по формуле

где М - число элементов в векторе U_mz, количественно равное N.

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

.

После этого вычисляют значение модуля для каждого m-го отсчета соответствующего z-го основного массива. В результате получают z-й кепстральный массив, состоящий из элементов

, который представляет собой кепстр z-го пробного массива. Для декодирования информации каждый кепстральный массив разбивают на два массива V1_z, V2_z. При этом массив V1_z z-го кепстрального массива включает в себя значения кепстра с номерами от m₀ до m₁, где m₀=f(T1·F_д-1); m₁=f(T1·F_д+1); f(*) - функция округления в сторону меньшего целого числа. Массив V2_z z-го кепстрального массива включает в себя значения кепстра с номерами от m₂ до m₃, где m₂=f(T2·F_д-1); m₃=f(T2·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 θ_{пор z} для z-го кепстрального массива. Сравнивают величину θ_{пор z} с каждым значением соответствующего z-го кепстрального массива. При превышении порога θ_{пор z} значениями кепстра в массиве V1_z и отсутствии превышения порога θ_{пор z} в массиве V2_z или при превышении порога θ_{пор z} значениями кепстра в массиве V2_z и отсутствии превышения порога θ_{пор z} в массиве V1_z принимают решение о наличии в z-м интервале Δ_z ровно двух импульсов. Затем формируют G новых рабочих массивов данных из генерального массива данных D.

Номер кепстрального массива, которому соответствует наличие двух импульсов в соответствующем z-м интервале Δ_z, фиксируют как начальный Z_нач, а соответствующий z-й интервал Δ_z принимают за начальный Δ_{z нач}. 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 Δ₆₀, включающего элементы генерального массива с шестидесятого по 107-й, в результате кепстральной обработки принято решение о наличии ровно двух импульсов, то интервал Δ₆₀ фиксируют как начальный Δ_{60 нач}, 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.

Элементы каждого g-го рабочего массива подвергают последовательно кепстральной обработке. Вначале дискретному прямому преобразованию Фурье подвергаются элементы g-го рабочего массива по формуле

,

где

- значение комплексной амплитуды m-го отсчета спектра оцифрованного сигнала для g-го рабочего массива, S_ng - значение амплитуды n-го по номеру отсчета, находящегося в g-м рабочем массиве оцифрованного сигнала. После чего для каждого g-го рабочего массива 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_mg g-го интервала Δ_g, вычисляют дискретное обратное преобразование Фурье по формуле

В результате трех описанных операций для каждого g-го рабочего массива получают соответствующий g-й основной массив, состоящий из элементов

. После этого вычисляют значение модуля для каждого m-го отсчета соответствующего g-го основного массива. В результате получают g-й кепстральный массив, состоящий из элементов

, который представляет собой кепстр g-го рабочего массива. Для декодирования информации каждый кепстральный массив разбивают на два массива V1_g, 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.

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 θ_{пор g} для g-го кепстрального массива. Сравнивают величину θ_{пор g} с каждым значением соответствующего g-го кепстрального массива. При превышении порога θ_{пор g} значениями кепстра в массиве V1_g и отсутствии превышения в массиве V2_g принимают решение о наличии в данном g-м интервале Δ_g закодированной логической единицы (фиг.8). При превышении порога θ_{пор g} значениями кепстра в массиве V2_g и отсутствии превышения в массиве V1_g принимают решение о наличии в данном g-м интервале Δ_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 θ_{пор g} значениями кепстра в установленных массивах V1_z и V2_z принимают решение об окончании приема кодограммы, после чего с объекта Y на объект X 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 введенного СШП импульса, называемого «центральным», между периодически следующими друг за другом СШП импульсами такой же формы, называемыми «опорными». 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 центрального «импульса» относительно задержанного «опорного» импульса (фиг.1) и будет определяться соответствующими временными задержками Т1, Т2.

Однако данные временные задержки будут определять логический ноль либо единицу лишь при обработке в ЭВМ двух импульсов, а закодированное сообщение, именуемое кодограммой, будет представлять собой КПСШПИ. Таким образом, для выделения информации из принятой объектом Y кодограммы предлагается принятую КПСШПИ делить в ЭВМ на равные отрезки, каждый из которых включал бы два импульса. Так как время прихода КПСШПИ 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, которые являются достаточно дорогостоящими. Поэтому каждый импульс принимаемой кодограммы предлагается растягивать, предварительно разделяя КПСШПИ по мощности на k частей с помощью Y-делителей [4], а затем, задерживая каждую часть КПСШПИ на 0,25τ_ои(k-1), складывать их между собой (фиг.4) по мощности. Процесс растяжения возможен лишь для однополярных импульсов. При форме импульса, отличной от однополярной (эпюра а фиг.2), импульсы не только растягиваются, но изменяют взаимное положение положительной и отрицательной части импульса относительно друг друга (фиг.3). Поэтому после приема кодограммы объектом Y и усиления КПСШПИ (кодограммы) их предлагается проинтегрировать. За счет операции интегрирования импульсы принятой кодограммы станут однополярными (эпюра б фиг.2), но будут сохранять значение временных задержек относительно друг друга (фиг.5), и их можно будет качественно оцифровать при более низкой частоте дискретизации АЦП. С выхода АЦП сигнал в виде двоичных чисел (эпюра а фиг.6) будет поступать в ЭВМ, где определяют время начала приема кодограммы. Для этого растянутую КПСШПИ с выхода АЦП независимо от времени прихода делят в ЭВМ на пробные массивы данных, каждый из которых содержит значения оцифрованной растянутой КПСШПИ, ограниченной интервалами длительностью Δ (эпюра а фиг.6). Каждый пробный массив подвергают кепстральной обработке по схеме, представленной на фиг.7. Так как дискретный сигнал в каждом интервале представляет собой сумму двух оцифрованных импульсов почти одинаковой формы 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 2π/Т1 или 2π/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 2π/Т1 или 2π/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 2π/Т1 или 2π/Т2 соответствует импульс на кепстральной оси времени с максимумом в момент времени Т1 или в момент времени Т2. Таким образом, кепстальная обработка позволяет выявить период повторения закона модуляции энергетического спектра дискретного сигнала, который равен нулю при наличии одного оцифрованного импульса в интервале Δ, и 2π/Т1 или 2π/Т2 при наличии двух оцифрованных импульсов, несущих информацию о логическом «нуле» или «единице». Зная задержки между «центральным» и «опорным» импульсами, можно определить временное положение интервала Δ, в котором два первых импульса принимаемой кодограммы, ожидая появления импульса на кепстральной оси в момент времени Т1 или в момент времени Т2. Выделенная из каждого рабочего массива информация о наличие 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 СШП импульсов осуществляется на основе поиска наличия во временном интервале Δ заданной длительности двух первых импульсов принимаемой кодограммы. При этом время, отводимое на определение первых двух импульсов кодограммы, будет определяться периодом следования «опорных» СШП импульсов и составлять от 10 до 100 нс. Возможно повышение скорости передачи данных. Так, при периоде следования «опорных» СШП импульсов от 10 до 100 нс скорость передачи данных будет составлять от 100 до 10 Мбит/с.

Предложенный способ легко реализуем и не требует синхронизации моментов передачи и приема сообщения. 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.

Claims (1)

1. Асинхронно-кепстральный способ выделения закодированной информации, передаваемой потребителю с помощью 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 два сверхширокополосных импульса, причем длительность каждого импульса составляет величину порядка единиц 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, один сверхширокополосный импульс из двух, используемых для передачи одного бита информации, называемый опорным, повторяется с периодом следования Т порядка десятков наносекунд, а второй сверхширокополосный импульс, называемый центральным, располагают между опорными сверхширокополосными импульсами, при этом центральный импульс при кодировании логического нуля располагают на временной оси с опережением опорного импульса на Т2=0,4Т, а при кодировании логической единицы центральный импульс располагают на временной оси с опережением опорного импульса на Т1=0,2Т, при этом передаваемое закодированное сообщение, именуемое кодограммой, составляют на объекте Х из конечной последовательности логических нулей и единиц, закодированных в виде совокупности опорных сверхширокополосных импульсов с периодом следования Т и центральных сверхширокополосных импульсов, расположенных между опорными, принятую объектом Y кодограмму усиливают по мощности и подают на вход интегратора, на выходе которого получают последовательность сверхширокополосных импульсов, форма каждого из которых будет описываться выражением
   

   

   
   с выхода интегратора сигнал подают на делитель с К выходами, который делит его по мощности на К частей, задерживая впоследствии каждую из частей на время t_зk, вычисляемое по формуле
   t_зk=0,25τ_ои(k-1),
   где

   

   - номер выхода делителя; τ_ои - длительность одиночного импульса кодограммы на выходе интегратора, при этом количество линий задержки Н вычисляют по формуле
   Н=К-1,
   где К - целое положительное число, определяющее количество плеч делителя сигнала по мощности, причем величину К определяют из неравенства
   

   

   
   где

   

   - минимальная длительность импульса, которую необходимо иметь для получения нужного числа отсчетов после аналого-цифрового преобразования данного импульса; F_д - частота дискретизации аналого-цифрового преобразователя, после чего все задержанные части принятого сигнала складывают друг с другом по мощности с помощью сумматора, с выхода которого получают растянутые импульсы, которые подают на вход аналого-цифрового преобразователя, на выходе аналого-цифрового преобразователя получают оцифрованные растянутые импульсы, закон изменения амплитуды которых описывается последовательностью двоичных чисел, оцифрованные растянутые 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 растянутой последовательности сверхширокополосных импульсов, ограниченной временным интервалом длительностью Δ, причем величина Δ, соответствующая z-му пробному интервалу Δ_z, 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=Δ·F_д,
   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, элементы каждого z-го пробного массива последовательно 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 пробного массива, S_nz - значение амплитуды n-го по номеру отсчета, находящегося в z-м пробном массиве, после чего для каждого z-го пробного массива вычисляют значение логарифма квадрата модуля каждого m-го отсчета, то есть m-го значения комплексной амплитуды спектра оцифрованного сигнала по формуле
   

   

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

   

   ,
   где М - общее число элементов в векторе U_mz, равное N, в результате дискретного обратного преобразования Фурье для каждого z-го пробного 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 z-й кепстральный массив, состоящий из элементов

   

   который представляет собой кепстр z-го пробного массива, для декодирования информации каждый кепстральный массив разбивают на два массива V1_z, V2_z, при этом массив Vl_z z-го кепстрального массива включает в себя значения кепстра с номерами от m₀ до m₁, где m₀=f(Т1·F_д-1); m₁=f(T1·F_д+1); f(*) - функция округления в сторону наименьшего целого числа, массив V2_z z-го кепстрального массива включает в себя значения кепстра с номерами от m₂ до m₃, где m₂=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 электронно-вычислительной машине, умножают полученное максимальное значение кепстра на 0,7 и принимают результат в качестве порогового значения θ_{пор z} для z-го кепстрального массива, сравнивают величину θ_{пор z} с каждым значением соответствующего z-го кепстрального массива, при превышении порога θ_{пор z} значениями кепстра в массиве V1_z и отсутствии превышения порога θ_{пор z} в массиве V2_z или при превышении порога θ_{пор z} значениями кепстра в массиве V2_z и отсутствии превышения порога θ_{пор z} в массиве V1_z принимают решение о наличии в z-м интервале Δ_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 Δ_z, фиксируют как начальный Z_нач, а соответствующий z-й интервал Δ_z обозначают как начальный Δ_{z нач}, 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, элементы каждого g-го рабочего массива подвергают последовательно дискретному прямому преобразованию Фурье по формуле
   

   

   ,
   где

   

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

   

   ,
   вычисляют дискретное обратное преобразование Фурье по формуле
   

   

   
   в результате дискретного обратного преобразования Фурье, для каждого g-го рабочего массива получают соответствующий g-й основной массив, состоящий из элементов

   

   , после чего вычисляют значение модуля для каждого m-го отсчета соответствующего g-го основного массива, в результате получают g-й кепстральный массив, состоящий из элементов

   

   , который представляет собой кепстр g-го рабочего массива, для декодирования информации каждый кепстральный массив разбивают на два массива V1_g, 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, записанного в электронно-вычислительной машине, умножают полученное максимальное значение кепстра на 0,7 и принимают результат в качестве порогового значения θ_{пор g} для g-го кепстрального массива, сравнивают величину θ_{пор g} с каждым значением соответствующего g-го кепстрального массива, при превышении порога θ_{пор g} значениями кепстра в массиве V1_g и отсутствии превышения в массиве V2_g принимают решение о наличии в данном g-м интервале Δ_g закодированной логической единицы, при превышении принимают решение о наличии в данном g-м интервале Δ_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 θ_{пор g} 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.

Images