ВЫБОР МОДЕЛИ СЕКВЕНТНОГО СИГНАЛА ДЛЯ СИСТЕМЫ СВЯЗИ
Выбор модели секвентного сигнала для системы связи
11
УДК 621.391
С. В. ДВОРНИКОВ, Е. В. КАЗАКОВ, А. А. УСТИНОВ, А. П. ЧИХОНАДСКИХ
ВЫБОР МОДЕЛИ СЕКВЕНТНОГО СИГНАЛА ДЛЯ СИСТЕМЫ СВЯЗИ
Представлены результаты исследования моделей секвентных сигналов, сформированных на основе сверхкратковременных импульсов, для использования в системах связи. Определены параметры, обеспечивающие наилучшее распределение плотности спектральной энергии. Обоснован выбор двуполярного сигнала на основе импульсов Гаусса с минимальным сдвигом между их медианными значениями.
Ключевые слова: системы связи, секвентные сигналы, спектральное распределение.
С середины 20-го века активно ведутся работы по созданию использующих широкополосные или „шумоподобные“ сигналы систем связи, обеспечивающих высокую энергетическую скрытность по отношению к комплексам радиомониторинга.
Как правило, формирование „шумоподобных“ сигналов основывается на технологии расширения спектра. Расширение спектра обусловлено тем, что полоса частот, используемая для передачи сигнала, намного шире минимальной, необходимой для передачи данных [1]. Между тем свойство широкополосности присуще и так называемым секвентным сверхкратковременным импульсам (ССИ) нано- и пикосекундной длительности [2].
Наиболее полно вопрос увеличения количества информации, передаваемой в канале связи, за счет уменьшения длительности сигнала был рассмотрен Х. Хармутом [2], который ввел название „секвентный сигнал“, т.е. сигнал без несущей, относящийся к классу сверхширокополосных. К основным достоинствам систем связи, использующих ССИ, следует отнести:
— высокую скорость передачи данных (до сотен мегабит/с); — защищенность от активных узкополосных и широкополосных помех; — возможность использования многолучевого распространения радиоволн для повышения качества связи за счет временного разделения прямых и переотраженных сигналов и их последующего накопления; — низкую спектральную плотность средней излучаемой мощности, что обеспечивает повышение скрытности самого факта работы формирующих их радиоэлектронных средств. Следует отметить, что до сих пор нет четкой концепции применения ССИ в системах связи. Наиболее удачное математическое описание различных моделей сверхширокополосных сигналов применительно к передаче информации связи было сделано в работе [3]. Затем в статье [4] одна из полученных моделей на основе сглаженного манчестерского импульса была рассмотрена в качестве информационной единицы. Между тем данный вопрос требует серьезного исследования с целью выработки общих принципов применения ССИ. В настоящей статье затронут один из аспектов, связанный с обоснованием выбора модели рассматриваемых сигналов с позиций их спектральной эффективности. Одним из основных показателей, характеризующих свойство широкополосности сигнала, является его база. Сигнал считается широкополосным, если его база больше единицы. Между тем секвентные сигналы нано- и пикосекундной длительности не являются широкополосными, поскольку их база равна единице. Однако при этом спектральные свойства ССИ близки к свойствам сигналов, база которых значительно больше единицы [1]. В связи с этим
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 12
12 С. В. Дворников, Е. В. Казаков, А. А. Устинов, А. П. Чихонадских
широкополосность сигналов целесообразно рассматривать с позиций относительной величи-
ны полосы частот, занимаемой сигнальной выборкой.
Согласно работе [5], для передачи информации на основе ССИ используется время-
импульсная модуляция (ВИМ), в которой значение логической единицы или нуля опреде-
ляется временным положением полезного сигнала в пределах фрейма. Когда сигнальная вы-
борка равна длительности фрейма, простейший способ информационного кодирования реа-
лизуется путем излучения или не излучения полезного сигнала в пределах фрейма. Другой
подход к информационному кодированию заключается в жестком определении позиций сло-
тов, в пределах которых размещаются или логические единицы, или логические нули.
Кроме того, интересным представляется информационное кодирование на основе не-
скольких полезных сигналов. Указанный подход, предусматривающий наличие правила, со-
гласно которому происходит отбор фреймов для формирования информационного бита,
обеспечивает определенную структурную скрытность передаваемых сообщений.
Рассмотренный принцип информационного кодирования в системах связи, исполь-
зующих ССИ, позволяет заключить, что характер их работы определяет форма полезного
сигнала.
С одной стороны, желательно, чтобы ССИ имел относительно простое аналитиче-
ское описание, позволяющее осуществлять реализацию быстрых алгоритмов его синтеза;
с другой — он должен обладать рядом положительных свойств, делающих его примене-
ние эффективным с точки зрения выбранной целевой установки. К таким свойствам отно-
сятся однородность плотности спектральной энергии в пределах заданной полосы, нераз-
рывность фазовых характеристик, максимальная концентрация спектральной мощности в
пределах главного „лепестка“ и др.
Полезный сигнал в виде ССИ s(t) характеризуется тем, что аналитическая функция
представления содержащей его выборки всегда равна нулю вне слота (временного интервала)
существования:
z (t )
=
⎧ s(t ⎩⎨0,
),
если если
t = τ0 ; t ≠ τ0 ,
(1)
где τ0 — длительность импульса.
Спектральная плотность ограниченного во времени непрерывного ССИ (1) описывается спектральной функцией:
+∞ τ0 / 2
A( f ) = ∫ z(t) exp( − j2πft) dt = ∫ s(t) exp( − j2πft) dt . −∞ −τ0 / 2
(2)
Результат в выражении (2) является комплексной функцией. Для случая, когда τ0 дос-
таточно мало, значение exp(± j2πf τ0 / 2) стремится к единице. В работе [3] доказано, что для
рассматриваемого случая значение exp(± j2πf τ0 / 2) приближается к единице только при
τ0
11
УДК 621.391
С. В. ДВОРНИКОВ, Е. В. КАЗАКОВ, А. А. УСТИНОВ, А. П. ЧИХОНАДСКИХ
ВЫБОР МОДЕЛИ СЕКВЕНТНОГО СИГНАЛА ДЛЯ СИСТЕМЫ СВЯЗИ
Представлены результаты исследования моделей секвентных сигналов, сформированных на основе сверхкратковременных импульсов, для использования в системах связи. Определены параметры, обеспечивающие наилучшее распределение плотности спектральной энергии. Обоснован выбор двуполярного сигнала на основе импульсов Гаусса с минимальным сдвигом между их медианными значениями.
Ключевые слова: системы связи, секвентные сигналы, спектральное распределение.
С середины 20-го века активно ведутся работы по созданию использующих широкополосные или „шумоподобные“ сигналы систем связи, обеспечивающих высокую энергетическую скрытность по отношению к комплексам радиомониторинга.
Как правило, формирование „шумоподобных“ сигналов основывается на технологии расширения спектра. Расширение спектра обусловлено тем, что полоса частот, используемая для передачи сигнала, намного шире минимальной, необходимой для передачи данных [1]. Между тем свойство широкополосности присуще и так называемым секвентным сверхкратковременным импульсам (ССИ) нано- и пикосекундной длительности [2].
Наиболее полно вопрос увеличения количества информации, передаваемой в канале связи, за счет уменьшения длительности сигнала был рассмотрен Х. Хармутом [2], который ввел название „секвентный сигнал“, т.е. сигнал без несущей, относящийся к классу сверхширокополосных. К основным достоинствам систем связи, использующих ССИ, следует отнести:
— высокую скорость передачи данных (до сотен мегабит/с); — защищенность от активных узкополосных и широкополосных помех; — возможность использования многолучевого распространения радиоволн для повышения качества связи за счет временного разделения прямых и переотраженных сигналов и их последующего накопления; — низкую спектральную плотность средней излучаемой мощности, что обеспечивает повышение скрытности самого факта работы формирующих их радиоэлектронных средств. Следует отметить, что до сих пор нет четкой концепции применения ССИ в системах связи. Наиболее удачное математическое описание различных моделей сверхширокополосных сигналов применительно к передаче информации связи было сделано в работе [3]. Затем в статье [4] одна из полученных моделей на основе сглаженного манчестерского импульса была рассмотрена в качестве информационной единицы. Между тем данный вопрос требует серьезного исследования с целью выработки общих принципов применения ССИ. В настоящей статье затронут один из аспектов, связанный с обоснованием выбора модели рассматриваемых сигналов с позиций их спектральной эффективности. Одним из основных показателей, характеризующих свойство широкополосности сигнала, является его база. Сигнал считается широкополосным, если его база больше единицы. Между тем секвентные сигналы нано- и пикосекундной длительности не являются широкополосными, поскольку их база равна единице. Однако при этом спектральные свойства ССИ близки к свойствам сигналов, база которых значительно больше единицы [1]. В связи с этим
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 12
12 С. В. Дворников, Е. В. Казаков, А. А. Устинов, А. П. Чихонадских
широкополосность сигналов целесообразно рассматривать с позиций относительной величи-
ны полосы частот, занимаемой сигнальной выборкой.
Согласно работе [5], для передачи информации на основе ССИ используется время-
импульсная модуляция (ВИМ), в которой значение логической единицы или нуля опреде-
ляется временным положением полезного сигнала в пределах фрейма. Когда сигнальная вы-
борка равна длительности фрейма, простейший способ информационного кодирования реа-
лизуется путем излучения или не излучения полезного сигнала в пределах фрейма. Другой
подход к информационному кодированию заключается в жестком определении позиций сло-
тов, в пределах которых размещаются или логические единицы, или логические нули.
Кроме того, интересным представляется информационное кодирование на основе не-
скольких полезных сигналов. Указанный подход, предусматривающий наличие правила, со-
гласно которому происходит отбор фреймов для формирования информационного бита,
обеспечивает определенную структурную скрытность передаваемых сообщений.
Рассмотренный принцип информационного кодирования в системах связи, исполь-
зующих ССИ, позволяет заключить, что характер их работы определяет форма полезного
сигнала.
С одной стороны, желательно, чтобы ССИ имел относительно простое аналитиче-
ское описание, позволяющее осуществлять реализацию быстрых алгоритмов его синтеза;
с другой — он должен обладать рядом положительных свойств, делающих его примене-
ние эффективным с точки зрения выбранной целевой установки. К таким свойствам отно-
сятся однородность плотности спектральной энергии в пределах заданной полосы, нераз-
рывность фазовых характеристик, максимальная концентрация спектральной мощности в
пределах главного „лепестка“ и др.
Полезный сигнал в виде ССИ s(t) характеризуется тем, что аналитическая функция
представления содержащей его выборки всегда равна нулю вне слота (временного интервала)
существования:
z (t )
=
⎧ s(t ⎩⎨0,
),
если если
t = τ0 ; t ≠ τ0 ,
(1)
где τ0 — длительность импульса.
Спектральная плотность ограниченного во времени непрерывного ССИ (1) описывается спектральной функцией:
+∞ τ0 / 2
A( f ) = ∫ z(t) exp( − j2πft) dt = ∫ s(t) exp( − j2πft) dt . −∞ −τ0 / 2
(2)
Результат в выражении (2) является комплексной функцией. Для случая, когда τ0 дос-
таточно мало, значение exp(± j2πf τ0 / 2) стремится к единице. В работе [3] доказано, что для
рассматриваемого случая значение exp(± j2πf τ0 / 2) приближается к единице только при
τ0