Изобретение относится к способам приемопередачи дискретных (цифровых) информационных сигналов и может быть использовано в связи, локации, телеметрии, телефонии и в других областях, связанных с различными видами переработки информации.The invention relates to methods for transmitting discrete (digital) information signals and can be used in communications, locations, telemetry, telephony and in other areas related to various types of information processing.
Известен способ приемопередачи дискретной информации с использованием сигналов с выбросом спектра, в которых подлежащие передаче информационные символы отображаются на выброс спектра спектрально ограниченной сигнальной функции (Шилов В.П. "Способ внутриимпульсной модуляции - демодуляции с прямым расширением спектра". Патент RU 2528085 С1, 23.05.2013). Данный способ, устраняя предел Шеннона, позволяет перерабатывать информацию при сверхнизких отрицательных значениях отношения сигнал/шум. Однако реализация потенциальных возможностей рассматриваемого способа связана с применением информационных сигналов с выбросом спектра, требующих, хотя и незначительного (по сравнению с классическими сигналами с расширением спектра), в пределах одного порядка, но принципиально необходимого расширения их спектра, снижающего эффективность использования природного частотного ресурса. Кроме того, сигналы данного типа обладают низкой энергетикой, связанной с тем, что величина энергии части сигнала, отображающей собственно информацию, на несколько порядков меньше энергии сигнала в целом. Наиболее близким способом (прототипом) к предлагаемому является, за неимением других аналогов, способ, рассмотренный выше.There is a method of transmitting discrete information using spectrum ejection signals, in which the information symbols to be transmitted are mapped to a spectrum ejection of a spectrally limited signal function (VP Shilov, “Intra-pulse modulation method - direct spectrum spreading demodulation.” Patent RU 2528085 C1, 23.05 .2013). This method, eliminating the Shannon limit, allows information to be processed at extremely low negative signal-to-noise ratios. However, the realization of the potential possibilities of the method under consideration is associated with the use of information signals with spectrum ejection, which require, although insignificant (compared to classical signals with spreading the spectrum), within the same order, but fundamentally necessary expansion of their spectrum, which reduces the efficiency of using the natural frequency resource. In addition, signals of this type have low energy, due to the fact that the energy of the part of the signal that displays the information itself is several orders of magnitude lower than the signal energy as a whole. The closest method (prototype) to the proposed one is, in the absence of other analogues, the method discussed above.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа приемопередачи дискретной информации, позволяющего снять ограничения на его реализацию, связанные с расширением спектра информационных сигналов и нерациональным использованием энергии, необходимой для переработки единицы информации, при сохранении принципиального отличия от всех известных способов, за исключением прототипа (аналога), заключающегося в устранении предела Шеннона. The objective of the present invention is to develop a method for transmitting discrete information that allows you to remove restrictions on its implementation associated with the expansion of the spectrum of information signals and the irrational use of energy necessary for processing a unit of information, while maintaining a fundamental difference from all known methods, except for the prototype (analog), to eliminate the Shannon limit.
Технический результат – повышение эффективности использования энергии сигнала и частотного ресурса канала преобразования (приемопередачи) дискретной (цифровой) информации.The technical result is an increase in the energy efficiency of the signal and the frequency resource of the channel for converting (transmitting) discrete (digital) information.
Решение поставленной задачи, применительно к передающей стороне, осуществляют путем отображения, каждого подлежащего передаче информационного символа на возмущения какой-либо физической среды, представляющие собой отрезки периодических колебаний протяженностью (в случае электромагнитных колебаний, длительностью), равной протяженности символов, передаваемых через среду распространения непосредственно или используемых в качестве модулирующих сигналов. При этом применяется короткая, по отношению к протяженности символа (отображающего отрезка), последовательность периодических колебаний (цуг) так, чтобы эффективный спектр этой последовательности минимально выходил за пределы первого лепестка окна с длительностью символа. На приемной стороне решение поставленной задачи достигают путем проведения оценки псевдоспектра предварительно обработанной, в соответствии с функциональным типом используемого канала, принятой сигнально-шумовой смеси, разделенной на участки с протяженностью, равной протяженности отрезков периодических колебаний, отображающих символы, с шагом, кратно-равным периоду дискретизации сигнально-шумовой смеси, в полосе частот эффективного спектра отрезков периодических колебаний. Оценку псевдоспектра осуществляют путем анализа собственных чисел и собственных векторов корреляционной (ковариационной) матрицы, составленной из отсчетов сигнально-шумовой смеси на данном отрезке, и в случае обнаружения псевдоспектрального пика на ожидаемом, для соответствующего символа, спектральном участке, выносят решение о наличии на этом участке переданного символа.The solution of the problem, as applied to the transmitting side, is carried out by displaying each information symbol to be transmitted to the disturbances of a physical medium, which are segments of periodic oscillations with a length (in the case of electromagnetic waves, duration) equal to the length of the characters transmitted directly through the propagation medium or used as modulating signals. In this case, a short sequence of periodic oscillations (train) with respect to the length of the symbol (displaying segment) is applied so that the effective spectrum of this sequence minimally goes beyond the first window lobe with the symbol duration. On the receiving side, the solution of the problem is achieved by evaluating the pseudo-spectrum of the pre-processed, in accordance with the functional type of the channel used, received signal-noise mixture, divided into sections with a length equal to the length of the segments of periodic oscillations displaying symbols, in increments that are multiple equal to the period discretization of the signal-noise mixture in the frequency band of the effective spectrum of segments of periodic oscillations. The pseudo-spectrum is estimated by analyzing the eigenvalues and eigenvectors of the correlation (covariance) matrix, composed of samples of the signal-noise mixture in this segment, and if a pseudo-spectral peak is detected in the expected spectral section for the corresponding symbol, a decision is made on the presence of this section transmitted character.
Возможность реализации предлагаемого способа приемопередачи дискретной (цифровой) информации иллюстрируется на графиках (Фиг. 1-6), не снижая общности рассмотрения, на простейшем примере приемопередачи одного символа информации, представляющего собой один бит информационной последовательности, или чип сложного сигнала, или зондирующий радиолокационный импульс. На Фиг. 1, в осях время - напряжение, изображен исходный информационный сигнал (1), соответствующий подлежащему передаче информационному символу определенного типа, представляющий собой два периода оцифрованных с частотой дискретизации восемь герц синусоидальных колебаний с частотой два герца и с амплитудой, равной одному вольту, расположенных на временном промежутке длительностью в одну секунду (от 31 с до 32 с - фрагмент расчетного эксперимента). На Фиг. 2, в осях частота - модуль спектральной плотности, изображены псевдоспектр информационного сигнала (2), оценка которого выполнена по методу MUSIC, в среде программы MATLAB и FFT - спектр того же сигнала (3). На Фиг. 3, в осях время - напряжение, представлена сигнально-шумовая смесь на промежутке (31-32) секунды (4), подготовленная для проведения оценки ее псевдоспектра. Зашумление аддитивным белым гауссовым шумом информационного сигнала равно минус 100 дБ (эпюра собственно шума, с точностью до одной десятитысячной, совпадает с эпюрой сигнально-шумовой смеси). На Фиг. 4, в осях частота - модуль спектральной плотности, показан FFT - спектр сигнально-шумовой смеси (5), а на Фиг. 5 и 6, в тех же осях, представлены результаты оценки псевдоспектра сигнально-шумовой смеси, а именно: пик (6), соответствующий информационному сигналу (1), кривая (7, пунктир), соответствующая собственно шуму, кривые (8) и (9), характеризующие псевдоспектр промежутков, сдвинутых на один период дискретизации вправо и влево, соответственно. Дополнительно на обзорном графике (Фиг. 6) приведены псевдоспектры десяти односекундных промежутков, сдвинутых на восемь периодов дискретизации сигнально-шумовой смеси (на один односекундный промежуток), относительно друг друга, начиная от промежутка, содержащего информационный сигнал (по пять промежутков, влево и вправо, по оси времени) и четырнадцать (по семь влево и вправо), со сдвигом на один период дискретизации (перекрывая два смежных односекундных промежутков с промежутком, содержащим информационный сигнал). Приведенные графики демонстрируют эффективное извлечение информационного сигнала из шума, при отношении (сигнал/шум), равном минус 100 дБ. Проведенные дополнительные расчетные эксперименты показывают, что принципиальными ограничивающими факторами применения предложенного способа являются лишь возможности аналогово-цифрового преобразования (АЦП) (шумы преобразования, при заданном быстродействии) и примененных форматов представления чисел в используемых вычислительных устройствах (так, при расчетах в среде MATLAB, надежные результаты достигаются при отношениях сигнал/шум не менее минус 300 дБ, при использовании формата "long е", что демонстрирует возможности вычислителя без учета возможностей существующих АЦП).The possibility of implementing the proposed method for transmitting discrete (digital) information is illustrated in the graphs (Fig. 1-6), without reducing the generality of consideration, on the simplest example of transceiving one character of information, which is one bit of an information sequence, or a complex signal chip, or a probe radar pulse . In FIG. 1, in the time – voltage axes, the initial information signal (1) is shown, corresponding to the information symbol of a certain type to be transmitted, which is two periods of eight hertz sinusoidal oscillations digitized with a sampling frequency with a frequency of two hertz and with an amplitude equal to one volt located on time interval of one second duration (from 31 s to 32 s - a fragment of the calculation experiment). In FIG. 2, in the frequency axes, the spectral density module, the pseudo-spectrum of the information signal (2), estimated by the MUSIC method, is shown; in the environment of the MATLAB and FFT programs, the spectrum of the same signal (3). In FIG. 3, in the time-voltage axes, the signal-noise mixture is presented over the interval (31-32) seconds (4), prepared for evaluating its pseudo-spectrum. The noise suppression by the additive white Gaussian noise of the information signal is minus 100 dB (the plot of the actual noise, with an accuracy of one ten thousandth, coincides with the plot of the signal-noise mixture). In FIG. 4, in the axes the frequency is the spectral density modulus, the FFT is shown - the spectrum of the signal-noise mixture (5), and in FIG. 5 and 6, in the same axes, the results of estimating the pseudo-spectrum of the signal-noise mixture are presented, namely: peak (6), corresponding to the information signal (1), curve (7, dashed line), corresponding to the noise proper, curves (8) and ( 9) characterizing the pseudo-spectrum of gaps shifted by one sampling period to the right and left, respectively. Additionally, the overview graph (Fig. 6) shows the pseudo-spectra of ten one-second intervals, shifted by eight sampling periods of the signal-noise mixture (one one-second interval), relative to each other, starting from the interval containing the information signal (five intervals, left and right , along the time axis) and fourteen (seven left and right), with a shift of one sampling period (overlapping two adjacent one-second gaps with a gap containing an information signal). These graphs demonstrate the effective extraction of the information signal from noise, with a ratio (signal / noise) of minus 100 dB. The additional computational experiments show that the principal limiting factors in the application of the proposed method are only the capabilities of analog-to-digital conversion (ADC) (conversion noise at a given speed) and the formats used to represent numbers in the used computing devices (for example, in calculations in the MATLAB environment, reliable the results are achieved with a signal-to-noise ratio of at least minus 300 dB, using the "long e" format, which demonstrates the capabilities of the computer without ETA opportunities existing ADC).
Предлагаемый способ приемопередачи информационных дискретных (цифровых) сигналов может найти применение во всех областях науки и техники, связанных с процессами переработки информации, обеспечивая возможность работы глубоко под шумами, при энергетической эффективности принципиально и существенно превышающей предел Шеннона, и при этом не ограничивающей спектральную эффективность.The proposed method of transmitting information discrete (digital) signals can find application in all areas of science and technology related to information processing, providing the ability to work deeply under noise, with energy efficiency fundamentally and significantly exceeding the Shannon limit, and without limiting spectral efficiency.