Пристрій для автоматичної ідентифікації радіотелефонних передач із підвищеною стійкістю до міжсимвольних спотворень

Є ще 1 сторінка.

Дивитися все сторінки або завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

Пристрій для автоматичної ідентифікації радіотелефонних передач з підвищеною стійкістю до міжсимвольних спотворень, що на передавальній стороні містить передавач, блок зберігання даних ідентифікації, блок кодування й блок вбудовування інформації, а на приймальній стороні містить приймач, блок виділення інформації та блок декодування, який відрізняється тим, що на передавальній стороні в блок вбудовування інформації введені послідовно з'єднані перший вхідний буферний регістр, перший блок дискретного перетворювання Фур'є, блок модифікації амплітуд через перший вхід, блок зворотного дискретного перетворювання Фур'є й перший вихідний буферний регістр, причому перший вхідний буферний регістр підключений до виходу мікрофонного підсилювача, другий вхід блока модифікації амплітуд з'єднано з блоком кодування, перший вихідний буферний регістр підключений до модулятора передавача, а на приймальній стороні в блок виділення інформації введені послідовно з'єднані другий вхідний буферний регістр, другий блок дискретного перетворювання Фур'є, блок формування рішень і другий вихідний буферний регістр, а також блок обчислення циклічного надлишкового коду CRC, підключений входом до виходу блока формування рішень, а виходом - до другого входу другого вихідного буферного регістра.

Текст

Реферат: Винахід стосується області радіозв'язку й може застосовуватися в суднових та авіаційних зв'язкових УКХ радіостанціях для автоматичної ідентифікації радіотелефонних передач. Містить передавач, приймач, блок зберігання даних ідентифікації, блок кодування, блок вбудовування інформації, блок декодування, блок виділення інформації й міні-дисплей даних ідентифікації. Робота пристрою заснована на вбудовуванні у звуковий сигнал даних ідентифікації передавального судна у вигляді цифрового водяного знака. Для підвищення завадостійкості до міжсимвольних спотворень використовують технологію OFDM. Забезпечує підвищену надійність і вірогідність ідентифікації в автоматичному режимі за час 1,25 секунди без зміни базового складу радіоапаратури й експлуатаційних процедур радіозв'язку. UA 104349 C2 (12) UA 104349 C2 UA 104349 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області радіозв'язку й може застосовуватися у суднових й авіаційних зв'язних ультракороткохвильових (УКХ) радіостанціях для автоматичної ідентифікації радіотелефонних передач. Відома "Широкомовна система для передачі даних у звуковому сигналі за допомогою заміни даними звукового діапазону, що не сприймається" за патентом США № 6151578, 21.11.2000 р., 7 МПК Н04Н 9/00. Дана система забезпечує передачу інформації в частотному діапазоні звукового сигналу шляхом визначення несприйманих на слух частотних компонентів звукового сигналу й заміни їх переданими цифровими даними. Недоліками пристрою є низька надійність і вірогідність ідентифікації. Відомі "Метод та апарат для автоматичної ідентифікації програм, що містять звуковий 6 сигнал" за патентом США № 5581800, 03.12.1996 р., МПК Н04Н 9/00 і № 5787334, 28.07.1998 р., 6 МКИ Н04В 17/00. Метод і робота апарата засновані на імпульсному заглушенні енергії звукового сигналу у вузькому частотному діапазоні. Передана цифрова інформація відображається тривалістю інтервалу заглушення. Так, для передачі цифрових даних потужність звукового сигналу зменшують до нуля на час 10 мс і 20 мс із інтервалом повторення 50 мс до 100 мс. Недоліками пристрою є також низька надійність і вірогідність ідентифікації. Відомий також пристрій для автоматичної ідентифікації радіотелефонних передач в ультракороткохвильовому діапазоні за патентом США "Інтегрована концепція обміну даними 6 для керування повітряним рухом", № 5440544, 08.08.1995 p., МПК H04J 4/00, Н04М 11/00. Пристрій містить блок приймача-передавача, блок вбудовування ідентифікатора літака, кодувальний пристрій, пристрій зберігання ідентифікатора, блок детектування ідентифікатора, декодувальний пристрій. Принцип роботи пристрою заснований на наступному. При натисканні тангенти передавальної станції в ефір передається пакет цифрових даних, що містить ідентифікаційний номер літака. Передача даного пакета передує передачі безпосередньо мовного повідомлення. Тривалість пакета становить від 10 мс до 25 мс. На приймальній стороні пакет цифрових даних декодується. Недоліками пристрою є низька надійність і вірогідність ідентифікації. Це пояснюється тим, що пакет цифрових даних ідентифікації передається одноразово й має низьку перешкодозахищеність через його малу тривалість. Загальні недоліки аналогів пояснюються використанням простих сигналів для передачі даних ідентифікації, розташованих у вузькому часовому або частотному інтервалі. Найбільш близьким до винаходу є "Пристрій для автоматичної ідентифікації радіотелефонних передач" за патентом України № 92735 від 10.12.2010, МПК (2009) H04J 13/00, H04J 13/02, H04J 4/00, Н04М 11/00. Пристрій містить передавач, блок зберігання даних ідентифікації, блок кодування, блок вбудовування інформації, приймач, блок декодування, мінідисплей даних ідентифікації й блок виділення інформації. Блок вбудовування інформації складається з модуля обчислення середньоквадратичного відхилення (СКВ), генератора псевдовипадкової послідовності (ПВП), першого помножувача, другого помножувача й суматора, а блок виділення інформації складається з узгодженого фільтра, пікового детектора, генератора синхроімпульсів, помножувача, генератора ПВП, інтегратора зі скиданням і порогової схеми. Однак даний пристрій не забезпечує необхідної вірогідності ідентифікації, що пов'язане з дією міжсимвольних спотворень у каналі передачі. В основу винаходу поставлена задача підвищення вірогідності ідентифікації шляхом забезпечення завадостійкості передачі вбудованих цифрових даних до міжсимвольних спотворень. Поставлена задача досягається тим, що в пристрій, який містить передавач, блок зберігання даних ідентифікації, блок кодування, блок вбудовування інформації, приймач, блок декодування, міні-дисплей даних ідентифікації й блок виділення інформації, у блок вбудовування інформації введені послідовно з'єднані вхідний буферний регістр, блок дискретного перетворення Фур'є (ДПФ), блок модифікації амплітуд, блок зворотного дискретного перетворювання Фур'є (ЗДПФ) і вихідний буферний регістр, причому вхідний буферний регістр підключений до виходу підсилювача звукових частот передавача. Другий вхід блока модифікації амплітуд з'єднаний із блоком кодування, а вихідний буферний регістр, який підключено до модулятора передавача. У блок виділення інформації введені послідовно з'єднані вхідний буферний регістр, блок ДПФ, блок формування рішень і вихідний буферний регістр, а також блок обчислення циклічного надлишкового коду CRC, підключений входом до виходу блока формування рішень, а виходом - до другого входу вихідного буферного регістра. На фігурах представлено: фіг. 1 - структурна схема пристрою; фіг. 2 - структурна схема блока вбудовування інформації; фіг. 3 - структурна схема блока виділення інформації; 1 UA 104349 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 фіг. 4 - схема перетворювання відліків у блоці вбудовування інформації; фіг. 5 - схема перетворювання відліків у блоці виділення інформації. Пристрій працює в такий спосіб (див. фіг. 1). Переданий звуковий сигнал через мікрофон 2 і мікрофонний підсилювач 3 надходить на блок вбудовування інформації 6. На другий вхід цього ж блока надходять цифрові дані з виходу блока кодування 5. Блок кодування здійснює перераховування десяткового коду ідентифікації у двійковий код і формування циклічного надлишкового коду CRC над даними ідентифікації. Дані ідентифікації і код CRC утворюють так званий цифровий водяний знак (ЦВЗ), що непомітним на слух шляхом вбудовується у звуковий сигнал. Формування коду CRC і передача його в складі ЦВЗ необхідні для виявлення ЦВЗ у приймачі. Дані ідентифікації зберігаються у блоці 4 і можуть являти собою ідентифікатор морської рухомої служби (ІМРС) і (або) позивний сигнал судна. У морській рухомій службі кожному судну привласнюють свій ІМРС, що складається з 9-ти десяткових цифр і позивний сигнал, що складається з декількох (4-6) букв латинського алфавіту. Конструктивно блоки 2, 3, 4, 5 і 6 можуть бути виконані у вигляді електронної мікросхеми й розміщені в стандартній телефонній слухавці 1. Таке виконання не вимагає втручання в штатну апаратуру передавача, а реалізація заявленого пристрою потребує тільки заміни телефонної слухавки з убудованою мікросхемою. У блоці вбудовування інформації 6 звуковий сигнал модифікують визначеним чином відповідно до бітів ЦВЗ. Така модифікація еквівалентна перетворенню двійкових розрядів ЦВЗ у деякий сигнал ЦВЗ, що підсумовується з вихідним звуковим сигналом-носієм. При цьому потужність сигналу ЦВЗ значно менше потужності звукового сигналу-носія й тому він не прослуховується на фоні шумів на стороні приймача й не заважає веденню радіотелефонних передач. Модифікований (або композитний) сигнал, що містить ЦВЗ, далі надходить у передавач 7, який містить модулятор і у якому згаданий сигнал піддається стандартним процедурам обробки й випромінюється в ефір. Для надійної ідентифікації пристрій працює так, що дані ідентифікації передаються постійно протягом усього часу радіотелефонної передачі. Більш докладно робота блока вбудовування інформації 6 описується нижче. На приймальній стороні в блоці приймача 8 звуковий сигнал з вбудованим ЦВЗ знімають із низькочастотного виходу, до якого також підключений телефон і подають на блок виділення інформації 9. У блоці 9 здійснюють виділення даних ЦВЗ зі звукового сигналу. Після декодування в блоці 10 дані ідентифікації надходять на міні-дисплей даних ідентифікації 11, на якому відображається ІМРС і (або) позивний сигнал станції, яка передає у цей час. Пояснимо більш докладно принцип функціонування блока вбудовування інформації 6 (див. фіг. 2). У каналі передачі, що містить у собі апаратну частину передавача й приймача, а також ефірний радіоканал, на сигнал впливають різні перешкоди, у тому числі міжсимвольні спотворення (МСС). МСС обумовлені нерівномірністю амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) низькочастотного тракту приймача-передавача, а також багатопроменевим характером поширення радіохвиль. На слухове сприйняття мовного сигналу нерівномірність АЧХ не робить істотного впливу й може приводити тільки до зміни тембру мови. Однак на сигнал ЦВЗ МСС впливають істотно, приводячи до зниження вірогідності декодування даних ідентифікації. Відомо (див., наприклад, книгу: Ипатов В.П. Широкополосные системы и кодовое разделение сигналов. Принципы и приложения. - М.: Техносфера, 2007. - 488 с), що одним з радикальних способів боротьби із МСС у системах зв'язку є багаточастотна передача сигналів у вузькосмугових каналах на різних піднесучих частотах. Для цього вхідний потік даних, які передаються, розбивається на велику кількість повільних потоків, кожний з яких передається на своїй піднесучої частоті. У межах вузької частотної смуги, що відводиться для передачі одного потоку, АЧХ каналу можна вважати рівномірною. Тому в кожному вузькосмуговому каналі передача даних відбувається без впливу МСС. Такий спосіб передачі в каналах зв'язку називається ортогональне частотне мультиплексування (orthogonal frequency division multiplexing, OFDM). У винаході для зниження впливу МСС на сигнал ЦВЗ використовується принцип OFDM технології для побудови блока вбудовування інформації. Блок 6 вбудовування інформації працює в такий спосіб. Для схованого вбудовування один біт ЦВЗ розподіляється на декілька відліків амплітуд у частотній області звукового сигналу. Тому кожний з В біт ЦВЗ передається у своїй вузькій смузі частот. В остаточному підсумку В біт ЦВЗ вбудовуються в пакет з N'L відліків сигналу в часовій області. Одним пакетом будемо вважати послідовність N'L відліків звукового сигналу, у які вбудовується В біт ЦВЗ. Типовими значеннями можуть бути N = 64, L = 31, B = 16. Таким чином, для цих значень довжина пакета складе 1984 відліків, у які певним чином вбудовуються 16 біт ЦВЗ. При цьому частина біт, наприклад, 8 представляють дані ідентифікації, а частина, що залишилася, також 8 біт, утворить циклічний надлишковий код CRC. 2 UA 104349 C2 5 10 15 Пояснимо роботу блока 6 для одного пакета. На перший вхід блока 6 надходить звуковий сигнал х. Відліки звукового сигналу-носія накопичуються в першому вхідному буферному регістрі 6-1, що організований у вигляді матриці розмірністю N'L (Nрядків і Lстовпців). Далі відліки з виходу першого буферного регістра 6-1 по стовпцях перетворюються в комплексні частотні коефіцієнти в першому блоці ДПФ 6-2. Розмірність ДПФ дорівнює N. Перший блок ДПФ працює за алгоритмом швидкого перетворювання Фур'є й не вимагає додаткових пояснень. У блоці 6-3 модифікації амплітуд, який першим входом з'єднаний з першим блоком ДПФ, а другим входом – з блоком кодування, здійснюють зміну амплітуд частотних коефіцієнтів ДПФ за наступним алгоритмом: ~ 1) Обчислюють скалярний добуток  амплітуд рядка коефіцієнтів ДПФ X і деякої двійкової псевдовипадкової послідовності (ПВП) u довжиною L елементів. ~  = (Х,u) = Х1u1 + Х2u2 +… + XLuL. (1) Елементи ПВП приймають значення ui =(1,-1). Скалярні добутки за формулою (1) обчислюють окремо для В рядків матриці коефіцієнтів ДПФ. 2) Обчислюють величину корекції амплітуд w для кожного з В рядків матриці частотних коефіцієнтів з урахуванням біта даних, що вбудовується: ~ ~  0, m  , , (2) W ~ ~ m  , m   де ρ - деякий поріг, m = (1,-1) - біт даних. 3) Обчислюють корекції W i кожної амплітуди в рядку матриці за формулою: p 20 ~   Wi  W  i  ui , (3)    p   1/ p L p - p - норма вектора X = (X1,X2,…XL).    i  p  i1  Значення р для зменшення суб'єктивного сприйняття внесених сигналом ЦВЗ перетворювань встановлюють у діапазоні p =0,5…1.  4) Обчислюють модифіковані частотні коефіцієнти S i . При цьому амплітуди коефіцієнтів обчислюють за формулою: Si = Хi+ W i, (4) а фазові кути залишають без змін:   arg( S i = axg(  i ). (5) Для збереження дійсного характеру відліків у часовій області роблять операцію комплексного сполучення частотних коефіцієнтів. Після вбудовування ЦВЗ скалярні добутки амплітуд гармонік і вектора ПВП приймають значення (S,u) = -ρ для біта ЦВЗ m = -1 і (S,u) = ρ для біта ЦВЗ m = 1. У блоці 6-4 по стовпцях роблять операцію зворотного ДПФ, у результаті чого одержують відліки композитного сигналу в часовій області. Ці відліки записують у вихідний буферний регістр 6-5, що організований у вигляді матриці розмірності N'L. З регістра 6-5 відліки композитного сигналу s надходять на вихід блока вбудовування інформації. Робота блока 6 пояснюється також схемою на фіг. 4 для значень N = 8, L = 5, В = 2. Довжина пакета для цих значень складе 40 відліків при двох бітах ЦВЗ. Послідовність відліків пакета x у часовій області зображена квадратиками, а). У буферному регістрі 6-1 пакет з 40 відліків по стовпцях організується у вигляді матриці розмірності 8×5, б). У блоці ДПФ здійснюється обчислення частотних коефіцієнтів по стовпцях матриці. Частотні коефіцієнти представлені кружками, в). Верхній рядок відповідає постійним складовим ДПФ. У блоці 6-3 здійснюється модифікація амплітуд частотних коефіцієнтів по вищевикладеному алгоритмі відповідно до формул (1) - (5), г). Частотні коефіцієнти, які змінюються, виділені сірими. Модифікації піддаються амплітуди першої й другої гармоніки (другий і третій рядки відповідно). Рядки 7 і 8 є комплексно-сполученими стосовно рядків 3 і 2 відповідно. Біти ЦВЗ, які вбудовуються, позначені зірочками. У блоці 6-4 здійснюється зворотне ДПФ також по стовпцях матриці. У результаті ЗДПФ у вихідному буферному регістрі 6-5 будуть сформовані відліки композитного сигналу в часовій області, які також позначені сірим, д). З регістра 6-5 відліки композитного сигналу s зчитуються по стовпцях, е). Для передачі всіх даних ідентифікації судна в загальному випадку може знадобитися передача декількох пакетів, які надходять один за одним. Цифрова інформація, передана в кожному пакеті у вигляді ЦВЗ, містить у собі біти даних і циклічний надлишковий код CRC. При де  25 30 35 40 45 50 3 UA 104349 C2 5 10 довжині ЦВЗ 5 = 16 біт код CRC може займати 8 біт. Код CRC генерується в блоці кодування інформації 5 і використовується в приймачі для виявлення й перевірки цілісності ЦВЗ. Блок виділення інформації 9 (див. фіг. 3) працює в такий спосіб. На вхід блока виділення інформації 9 надходить звуковий сигнал, що містить ЦВЗ, з виходу приймача 8. Відліки прийнятого звукового сигналу y надходять у другий вхідний буферний регістр 9-1. Регістр 9-1 організований у вигляді матриці розмірності N'L (N рядків і L стовпців). У кількісному виразі регістр 9-1 може мати розмір 6431 = 1984. У другому блоці 9-2 здійснюють обчислення ДПФ по стовпцях матриці. Амплітуди частотних коефіцієнтів ДПФ використовують у блоці 9-3 для формування рішень про вбудовані біти ЦВЗ. Для цього обчислюють скалярні добутки векторів амплітуд і вектора ПВП для тих же В рядків, які піддалися модифікації в блоці вбудовування інформації 6-3: ~ Y  Y, u   Y1u1  Y2u2  ...  YL uL . (6)  Оцінку вбудованого біта m роблять за знаком скалярного добутку:  ~ m  sign Y . (7)  15 20 25 30 35 40 45 50 55  Вектор отриманих оцінок m складається з В біт, які містять у собі декодовані дані й прийнятий код CRC. У блоці обчислення CRC 9-5 обчислюють код CRC на основі декодованих даних. При збігу обчисленого в приймачі коду CRC із прийнятим кодом CRC виносять рішення про те, що ЦВЗ виявлений і декодований вірно. У вихідному буферному регістрі 9-4 фіксують біти ЦВЗ. Робота блока 9 пояснюється також схемою на фіг. 5 для значень N = 8, L = 5, В = 2. Вхідна послідовність у з NL = 40 відліків у часовій області зображена квадратиками, а). Оскільки відліки містять ЦВЗ, вони заповнені сірим. Послідовність записується по стовпцях у буферний регістр 9-1, б). У другому блоці ДПФ 9-2 по стовпцях матриці обчислюються частотні коефіцієнти ДПФ, в). У блоці 9-3 обчислюються скалярні добутки другого й третього рядків з вектором ПВП у. Два біти ЦВЗ формуються у відповідності зі знаком скалярного добутку, г). Декодовані дані із блока 9 направляють у міні-дисплей даних ідентифікації 10 для візуалізації ІМРС судна, що передає. Дані ідентифікації можуть також передаватися в суднову електронну картографічну навігаційну систему для маркування на карті судна, що передає. Це дозволить вахтовому помічникові швидко визначити передавальне судно на фоні поточної навігаційної обстановки. Даний пристрій має підвищену завадостійкість до МСС. Це пояснюється тим, що енергія ЦВЗ одного біта розподіляється на L частотних коефіцієнтів однієї гармоніки звукового сигналу. Тому кожний біт ЦВЗ передається у вузькій частотній смузі, у межах якої АЧХ можна вважати постійною. А сталість АЧХ у межах смуги передачі сигналу гарантує відсутність МСС. Стійкість до МСС випливає також з аналізу алгоритму детектування біта ЦВЗ по формулах (6), (7). Амплітуди Yі у формулі (6) відповідають одній і тій же самій частотній гармоніці. Тому у випадку спотворення сигналу, зумовлених нерівномірністю АЧХ каналу передачі, всі амплітуди змінюються з тим самим коефіцієнтом пропорційності. Така пропорційна зміна амплітуд призводить тільки до зміни абсолютного значення скалярного добутку за формулою (6), але не його знака. Звідси детектований біт за формулою (7) також не може змінитися на протилежний. Пристрій дозволяє передавати 8 інформаційних біт даних ідентифікації у складі одного пакета. Відповідно в 5-ти пакетах можна передати 40 біт інформації. Цієї кількості біт досить для зображення суднового ІМРС, що містить 9 десяткових цифр. При частоті дискретизації звукового сигналу 8 кГц один пакет з 1984 відліків передається протягом приблизно 0,25 секунд. Для передачі ІМРС у складі 5-ти пакетів буде потрібно приблизно 1,25 секунди. Через те, що ЦВЗ передається постійно протягом усього часу голосової передачі, то затримка розпізнання передавального судна на приймальному боці також складе 1,25 секунди. Пристрій не вимагає внесень яких-небудь змін у базовий комплект апаратури радіозв'язку морської рухомої служби й зміни експлуатаційних процедур радіозв'язку, а може використовуватися як додатковий засіб, що дозволяє автоматично з мінімальною затримкою розпізнати передавальну станцію, не чекаючи голосової передачі даних ідентифікації. Заміні підлягає тільки радіотелефонна слухавка на нову з вбудованим у неї модулем у мікроелектронному виконанні. Застосування пристрою забезпечує надійну ідентифікацію передавальної станції, що особливо важливо в складних навігаційних умовах. У цілому це буде сприяти підвищенню безпеки судноплавства. Аналогічне застосування й необхідний ефект пристрій має й у системі УКХ радіозв'язку цивільної авіації. 4 UA 104349 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 Пристрій для автоматичної ідентифікації радіотелефонних передач з підвищеною стійкістю до міжсимвольних спотворень, що на передавальній стороні містить передавач, блок зберігання даних ідентифікації, блок кодування й блок вбудовування інформації, а на приймальній стороні містить приймач, блок виділення інформації та блок декодування, який відрізняється тим, що на передавальній стороні в блок вбудовування інформації введені послідовно з'єднані перший вхідний буферний регістр, перший блок дискретного перетворювання Фур'є, блок модифікації амплітуд через перший вхід, блок зворотного дискретного перетворювання Фур'є й перший вихідний буферний регістр, причому перший вхідний буферний регістр підключений до виходу мікрофонного підсилювача, другий вхід блока модифікації амплітуд з'єднано з блоком кодування, перший вихідний буферний регістр підключений до модулятора передавача, а на приймальній стороні в блок виділення інформації введені послідовно з'єднані другий вхідний буферний регістр, другий блок дискретного перетворювання Фур'є, блок формування рішень і другий вихідний буферний регістр, а також блок обчислення циклічного надлишкового коду CRC, підключений входом до виходу блока формування рішень, а виходом - до другого входу другого вихідного буферного регістра. 5 UA 104349 C2 6 UA 104349 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7

Дивитися

Додаткова інформація

Автори англійською

Shyshkin Oleksandr Volodymyrovych, Koshevyi Vitalii Mykhailovych

Автори російською

Шишкин Александр Владимирович, Кошевой Виталий Михайлович

МПК / Мітки

МПК: H04L 25/00, H04M 11/06, H04J 13/00

Мітки: підвищеною, стійкістю, автоматичної, пристрій, передач, спотворень, радіотелефонних, ідентифікації, міжсимвольних

Код посилання

<a href="http://uapatents.com/9-104349-pristrijj-dlya-avtomatichno-identifikaci-radiotelefonnikh-peredach-iz-pidvishhenoyu-stijjkistyu-do-mizhsimvolnikh-spotvoren.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Пристрій для автоматичної ідентифікації радіотелефонних передач із підвищеною стійкістю до міжсимвольних спотворень</a>

Подібні патенти