Описание Description
Способ внутриимпульсной модуляции-демодуляции с прямым расширением спектра Изобретение относится к способам модуляции- демодуляции дискретных (цифровых) сигналов и может быть использовано в электро-радиосвязи,локации,телеметрии, телефонии и в других областях. The method of intrapulse modulation-demodulation with direct expansion of the spectrum The invention relates to methods of modulation-demodulation of discrete (digital) signals and can be used in electrical radio communications, location, telemetry, telephony and other fields.
Известны способы внутриимпульсной модуляции с прямым (непосредственным) расширением спектра,осуществляемой путем формирования шумовой или Known methods of intrapulse modulation with direct (direct) expansion of the spectrum, carried out by forming a noise or
шумоподобной огибающей импульсных сигналов,являющихся в этом случае широкополосными сигналами (ШПС) или сигналами с большой базой
noise-like envelope of pulsed signals, which in this case are broadband signals (SHPS) or signals with a large base
и \¥э-эффективные длительность и полоса частот, занимаемая сигналом, and \ ¥ e-effective duration and frequency band occupied by the signal,
соответственно (Петрович Н.Т.,Размахнин М.К.Системы связи с шумоподобными сигналами.Изд.Сов.радио,М., 1969,с.63-65). В качестве огибающих ШПС могут быть использованы образцы реального шума, регулярные сигналы типа реализации шумового процесса и другие подобные. Наиболее близким способом к respectively (Petrovich N.T., Razmakhnin M.K. Communication systems with noise-like signals. Izd. Sov.radio, M., 1969, p. 63-65). As the envelopes of the SHPS can be used samples of real noise, regular signals such as the implementation of the noise process, and others like that. Closest way to
предлагаемому является широко применяемый способ внутриимпульсной the proposed is a widely used method of intrapulse
модуляции,заключающийся в представлении импульсного сигнала псевдослучайной последовательностью (ПСП), обладающей шумоподобными свойствами (Алексеев А.И. и др.Теория и применение псевдослучайных сигналов.Изд.Наука, М.,1969,с.22- 24). Данный способ,при обычно используемых способах демодуляции на приемной стороне, заключающихся в оптимальной, фильтровой,либо корреляционной обработке, позволяет,при увеличении значения базы сигнала, максимально приблизиться к границе Шеннона, как среди рассматриваемой группы способов модуляции,так и среди всех других известных способов.Однако,реальное modulation, which consists in representing a pulsed signal with a pseudo-random sequence (PSP) with noise-like properties (Alekseev A.I. et al. Theory and application of pseudo-random signals. Izd.Nauka, Moscow, 1969, pp. 22-24). This method, with the commonly used methods of demodulation on the receiving side, consisting in optimal, filter, or correlation processing, allows, with an increase in the signal base value, as close as possible to the Shannon boundary, both among the considered group of modulation methods, and among all other known methods . However, the real
достижение границы,а тем более,ее преодоление ,не обеспечивается, первое-по причине невозможности увеличения базы сигнала до бесконечности,а второе,в связи с наличием ограничения на минимальное значение величины энергетической
неэффективности (Eo/No)min=Ln2,rae Ln-нагуральный логарифм, Ео-энергия сигнала и No-спектральная плотность мощности шумов в полосе частот сигнала, вытекающего из формулы Шеннона для пропускной способности канала передачи информации reaching the border, and even more so, overcoming it, is not ensured, the first is due to the impossibility of increasing the signal base to infinity, and the second, due to the presence of a limit on the minimum value of the energy inefficiencies (Eo / No) min = Ln2, rae Ln-logarithm, Eo-signal energy and No-spectral noise power density in the frequency band of the signal resulting from the Shannon formula for information channel bandwidth
C=WLog(l+S/N), C = WLog (l + S / N),
где Log-логарифм по основанию 2; where the Log-base 2 logarithm;
С-пропускная способность канала, [бит/Гц]; C-bandwidth of the channel, [bit / Hz];
W-ширина полосы частот канала(сигнала),[Гц]; W-channel bandwidth (signal), [Hz];
(S/N)-oTHomeHHe сигнал/шум; (S / N) -oTHomeHHe signal to noise;
8=(Ео/Т)-средняя мощность сигнала, [Вт]; 8 = (Ео / Т) - average signal power, [W];
N=(NoW)-MonraocTb шума в полосе частот канала[Вт]; N = (NoW) -MonraocTb noise in the channel bandwidth [W];
Т- длительность сигнала[с]. T - signal duration [s].
Физической причиной существования границы Шеннона и предельно-минимального значения величины энергетической неэффективности является полная или частичная перекрываемость (скрещенность) спектров полезного и мешающего(шумового) сигналов,при их обработке в приемной части канала передачи информации. The physical reason for the existence of the Shannon boundary and the maximum minimum value of energy inefficiency is the complete or partial overlap (cross) of the spectra of useful and interfering (noise) signals when they are processed in the receiving part of the information transmission channel.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа модуляции- демодуляции сигналов,позволяющего осуществить демодуляцию смеси сигнала с шумом,при устранении скрещивания их спектров,в той степени,которую The present invention is to develop a method of modulation-demodulation of signals, allowing demodulation of a mixture of signal with noise, while eliminating the crossing of their spectra, to the extent that
обеспечивают существующие технические средства. provide existing hardware.
Технический результат - возможность приемопередачи дискретной информации при значениях отношения сигнал-шум принципиально и существенно меныпих,чем это допускается теориями информации Шеннона и потенциальной EFFECT: possibility of transmitting discrete information at signal-to-noise ratios in principle and substantially less than that allowed by the Shannon and potential information theories
помехоустойчивости Котельникова,при одних и тех же значениях спектральной эффективности сигналов. Решение поставленной задачи,применительно к этапу модуляции сигаала(синтезу сигаала),осуществляют путем представления
информационного импульсного сигнала импульсным сигналом с огибающей, описываемой функцией с ограниченным спектром, имеющей,на одном или нескольких своих промежутках,колебания с частотой, превышающей граничную частоту спектра синтезируемого сигнала (выбросы частоты).При этом,параметры этих колебаний(амплитуду, частоту,фазу,порознь или в различных сочетаниях)ставят в соответствие информативному признаку сигнал а,подлежащего передаче. Kotelnikov noise immunity, at the same values of the spectral efficiency of the signals. The solution of the problem, in relation to the stage of modulation sigala (synthesis sigala) is carried out by presenting information pulse signal with a pulse signal with an envelope, described by a function with a limited spectrum, having, at one or several of its intervals, oscillations with a frequency exceeding the cutoff frequency of the spectrum of the synthesized signal (frequency spikes) .In addition, the parameters of these oscillations (amplitude, frequency, phase , separately or in various combinations) put in accordance with the informative sign of the signal a to be transmitted.
Решение поставленной задачи на приемной стороне,при проведении обработки принятой смеси полезного и мешающего сигналов, производят в два этапа.На первом этапе,смесь сигнала с шумом обрабатывается необходимым,для The solution of the problem at the receiving side, when processing the received mixture of useful and interfering signals, is carried out in two stages. At the first stage, the signal mixture with noise is processed necessary for
используемого вида приемопередающего канала,образом,в полосе частот the type of transceiver channel used, in the frequency band
занимаемой полезным сигналом,например, в случае супергетеродинного канала, производят преселекцию, высокочастотное усиление,гетеродинирование, усиление на промежуточной частоте.На втором этапе,являющемся собственно этапом демодуляции,осуществляют время-частотную обработку смеси сигнала с шумом в полосе частот,соответствующей элементарному сигналу, представляющему собой промежуток, содержащий выброс частоты.Данная обработка включает в себя разбиение принятой смеси сигнала с шумом на ряд элементарных импульсов с длительностью,равной длительности промежутка с выбросом частоты,с occupied by a useful signal, for example, in the case of a superheterodyne channel, preselection, high-frequency amplification, heterodyning, amplification at an intermediate frequency are performed. At the second stage, which is actually the demodulation stage, the time-frequency processing of the signal mixture with noise in the frequency band corresponding to the elementary signal is performed, which is a gap containing a frequency surge. This processing includes splitting the received signal mixture with noise into a series of elementary pulses with a duration equal to second duration with the interval frequency of ejection, with
последующей частотно-фильтровой (в случае отображения информативного признака на амплитудно-фазовые параметры колебаний в выбросе) или subsequent frequency-filter (in the case of displaying an informative feature on the amplitude-phase parameters of fluctuations in the outlier) or
спектральной(в случае отображения информативного признака только на частоту колебаний в выбросе)обработкой элементарных импульсных сигналов, spectral (in the case of displaying an informative sign only on the frequency of oscillations in the outlier) by processing elementary pulse signals,
вьшолняемой с использованием известных технических средств, таких как, оконно- временная селекция,частотная фильтрация,спектральный анализ коротких сигналов,вейвлетный анализ и другие.На основании определения значений параметров колебаний в выбросе,вьшосится решение о значении информативного признака,содержащегося в принятом сигнале.
Подтверждением реализации предлагаемого способа модуляции-демодуляции дискретных сигналов,являются результаты расчета по формированию performed using well-known technical means, such as window-time selection, frequency filtering, spectral analysis of short signals, wavelet analysis and others. Based on the determination of the values of the oscillation parameters in the outlier, a decision is made about the value of the informative feature contained in the received signal. Confirmation of the implementation of the proposed method of modulation-demodulation of discrete signals are the calculation results for the formation
модулированного сигнала и его выделению из шума,в соответствии с алгоритмом предлагаемого способа, выполненные в среде MATLAB и представленные на графиках Fig.l-Fig.7.Ha Fig.l, в осях время-напряжение, представлены исходный информационный сигнал(1), представляющий собой прямоугольный видеоимпульс длительностью Т=7с и равный ему по энергии модулированный сигнал(2),имеющий на промежутке длительностью одна секунда, расположенном по оси времени от трех до четырех секунд два квазипериода колебаний с выбросом частоты.График этих колебаний(3),в укрупненном масштабе,в осях время-напряжение,представлен на Fig.2.Cneicrp модулированного сигнала(4),в осях частота-модуль спектральной плотности,представлен на Fig.3,a на Fig.4,B тех же осях,преДставлен псевдовектор спектра промежутка с выбросом частоты(5), рассчитанный по методу MUSIC. the modulated signal and its separation from noise, in accordance with the algorithm of the proposed method, performed in MATLAB environment and presented in the Fig.l-Fig.7.Ha Fig.l graphs, in the time-voltage axes, the initial information signal (1) is presented, which is a rectangular video pulse of duration T = 7s and an equal modulated signal (2) with energy equal to two seconds in the interval of one second, located along the time axis from three to four seconds, with two frequency quasi-oscillations, a graph of these oscillations (3), in enlarged the scale, in the time-voltage axes, is shown in Fig.2.Cneicrp of the modulated signal (4), in the frequency-modulus axes of the spectral density, is shown in Fig.3, a in Fig.4, B on the same axes, a pseudovector of the gap spectrum is presented with frequency spike (5) calculated by the MUSIC method.
Временная диаграмма аддитивной смеси модулированного сигнала с нормальным гауссовым шумом(6),при отношении сигнал-шум,равном минус двести децибел(по мощности),в полосе частот, соответствующей частоте дискретизаци,равной восемь герц, при учете зашумления полезного сигнала на всем пути его распространения в среде передачи и обработки,вплоть до поступления смеси сигнала с шумом непосредственно на демодулятора осях время-напряжение,представлена на Timing diagram of an additive mixture of a modulated signal with normal Gaussian noise (6), with a signal-to-noise ratio of minus two hundred decibels (in power), in the frequency band corresponding to a sampling frequency of eight hertz, taking into account the noise of the useful signal along its entire path propagation in the transmission and processing medium, up to the arrival of a signal mixture with noise directly on the demodulator time-voltage axes, is presented on
Fig.5.BpeMeHHaH диаграмма сигнально-шумовой смеси,обработанной в полосе частот модулированного сигнала (приблизительно один герц) (7),разбитая на ряд элементарных импульсных сигналов с помощью окна длительностью,равной одной секунде,с шагом, равным периоду дискретизации(одна восьмая секунды),в пределах перекрытия окна с промежутком,содержащем выброс частоты,в осях время- напряжение,представлена на Fig.6. Спектральная диаграмма^ осях частота-модуль спектральной плотности ,являющаяся конечным результатом расчета, и на которой изображены псевдовекторы спектров всех проанализированных элементарных
импульсных сигналов в пределах длительности модулированного сигнал а,приведена на Fig.7,rfle позициями(8,9,10)обозначены псевдовекторы спектров элементарных импульсных сигналов,частично перекрьшающихся с промежутком,содержащем выброс частоты,а позицией (11) помечен псевдовектор элементарного импульса, совмещенного с промежутком выброса частоты точно. Полученный результат демонстрирует надежное выделение промежутка с выбросом частоты и, Fig.5.BpeMeHHaH diagram of the signal-noise mixture processed in the frequency band of the modulated signal (approximately one hertz) (7), divided into a series of elementary pulse signals using a window of one second duration, in increments equal to the sampling period (one eighth seconds), within the window overlap with the gap containing the frequency spike, in the time-voltage axes, is shown in Fig.6. The spectral diagram on the axes of the frequency-modulus of the spectral density, which is the final result of the calculation, and which shows the pseudovectors of the spectra of all analyzed elementary pulse signals within the duration of the modulated signal a, shown in Fig. 7, rfle positions (8,9,10) denote the pseudovectors of the spectra of elementary pulse signals partially overlapping with the gap containing the frequency spike, and the position (11) marks the pseudovector of the elementary pulse, combined with the frequency ejection gap for sure. The obtained result demonstrates the reliable separation of the gap with the frequency surge and,
соответственно,обнаружение информативного признака в принятом зашумленном модулированном сигнале. accordingly, the detection of an informative feature in the received noisy modulated signal.
Для сравнения полученного в ходе расчета результата с достижимым,с помощью известных способов,значением отношения сигнал-шум,при всех прочих равных условиях,вычислим это значение,используя формулу To compare the result obtained during the calculation with the achievable, using known methods, value of the signal-to-noise ratio, all other things being equal, we calculate this value using the formula
(S/N)>=[2A(R/W)]-1, (S / N)> = [2 A (R / W)] - 1,
где (ИЛЛ -спек ральная эффективность сигнала,[бит/Гц]; where (ILL - spectral signal efficiency, [bit / Hz];
R-скорость передачи информации,[бит/с], R is the information transfer rate, [bit / s],
представляющую собой одну из возможных форм описания границы (предела) Шеннона (применительно к величине отношения сигнал/шум). Подставив в последнее выражение значение (КА =(1/7),[бит/Гц],использованное в расчете, получим (S/N)>= 0,104 или,приблизительно,(8/М)>:=минус 9,8 дБ,против значения минус 200 дБ, использованного при расчете по алгоритму предлагаемого способа,и при котором обеспечивается выделение полезного сигнала из шума. which is one of the possible forms of describing the Shannon boundary (limit) (as applied to the signal-to-noise ratio). Substituting the value (KA = (1/7), [bit / Hz] used in the calculation into the last expression, we obtain (S / N)> = 0.104 or, approximately, (8 / M) >: = minus 9.8 dB , against the value of minus 200 dB used in the calculation according to the algorithm of the proposed method, and in which the selection of the useful signal from the noise is ensured.
Предлагаемый способ может найти применение во всех областях техники,связанных с использованием дискретных (цифровых) сигналов, обеспечивая при этом уникальные возможности работы каналов передачи информации глубоко под шумами, при относительно высокой спектральной эффективности,по сравнению с известными способами,со всеми вытекающими из этого факта полезными,при всех прочих равных условиях,свойствами,такими как, увеличение дальности передачи информации,возможности повторного использования частотного ресурса по
отношению к узкополосным сигналам,скрытности передачи информации и рядом других полезных свойств.
The proposed method can find application in all areas of technology related to the use of discrete (digital) signals, while providing unique capabilities for the operation of information transmission channels deep under noise, with relatively high spectral efficiency, compared with known methods, with all the ensuing from this fact. useful, ceteris paribus, properties, such as increasing the transmission range of information, the possibility of reusing the frequency resource for in relation to narrowband signals, stealth of information transmission and a number of other useful properties.