Metelap diser

1. МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
На правах рукопису,
МЕТЕЛАП ВОЛОДИМИР ВОЛОДИМИРОВИЧ
УДК 621.396:004.7
КОРЕЛЯЦІЙНО-ЧАСОВІ МЕТОДИ І ЗАСОБИ
ФОРМУВАННЯ ТА ОБРОБКИ ШУМОВИХ СИГНАЛІВ
У МОДЕМАХ КОМП’ЮТЕРНИХ СИСТЕМ
05.13.05 – комп’ютерні системи та компоненти
дисертація на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Науковий керівник:
ПЕРВУНІНСЬКИЙ
СТАНІСЛАВ МИХАЙЛОВИЧ
заслужений діяч науки і
техніки,
доктор технічних наук,
професор
Черкаси – 2017

2. 2
ЗМІСТ
СПИСОК ПРИЙНЯТИХ СКОРОЧЕНЬ......................................................................4
ВСТУП ...........................................................................................................................6
РОЗДІЛ 1 АНАЛІЗ ПРЕДМЕТУ ДОСЛІДЖЕННЯ. ПОСТАНОВКА
ЗАВДАНЬ ...........................................................................................................12
1.1 Властивості сигналів з розширеним спектром..............................................12
1.2 Шумоподібні сигнали та широкосмугові системи зв’язку ..........................17
1.3 Метод формування та обробки шумових сигналів з кореляційно-часовою
шумовою модуляцією ............................................................................................22
1.4 Метод формування та обробки шумових сигналів Ланге-Мюллера...........25
1.5 Метод формування та обробки шумових сигналів з кореляційно-часовою
шумовою модуляцією з обертанням фази Вороніна А.А...................................28
1.6 Удосконалення автокореляційних систем зв’язку з шумовою носійною ..29
1.6.1 Модифікований метод формування та обробки шумових сигналів з
кореляційно-часовою шумовою модуляцією Ланге – Мюллера ...................29
1.6.2 Модифікований метод формування та обробки шумових сигналів з
фазовою модуляцією Вороніна .........................................................................30
1.6.3 Модифікований метод формування та обробки шумових сигналів з
фазовою модуляцією Вороніна 2 ......................................................................31
1.7 Завдання дослідження......................................................................................31
ВИСНОВКИ ПО ПЕРШОМУ РОЗДІЛУ..............................................................33
РОЗДІЛ 2 ЗАВАДОСТІЙКІСТЬ СИСТЕМ З ШУМОВИМИ СИГНАЛАМИ...35
2.1 Дослідження завадостійкості бінарного автокореляційного демодулятора
шумових сигналів з фазовою маніпуляцією........................................................35
2.2 Визначення кумулянтів випадкової величини на виході корелятора.........42
2.2.1 Дослідження завадостійкості модифікованих систем зв’язку...........44
2.3 Підвищення завадостійкості систем з кореляційно-часовою модуляцією.50
2.4 Уточнення розрахунку завадостійкості автокореляційних систем зв’язку з
шумовими сигналами.............................................................................................52
2.5 Підвищення пропускної здатності автокореляційних систем з шумовими

3. 3
сигналами ................................................................................................................54
2.5.1 Модифікований метод формування та обробки шумових сигналів з
фазовою модуляцією Вороніна 3 ......................................................................55
2.5.2 Модифікований метод формування та обробки шумових сигналів з
фазовою модуляцією Вороніна 4 ......................................................................57
2.5.3 Дослідження пропускної здатності модифікованих систем зв’язку.58
2.6 Підвищення рівня захищеності даних в системі зв’язку з фазовою
маніпуляцією шумового сигналу..........................................................................59
2.7 Завадостійкість системи множинного доступу з кореляційно-часовою
маніпуляцією шумового сигналу..........................................................................66
ВИСНОВКИ ПО ДРУГОМУ РОЗДІЛУ...............................................................77
РОЗДІЛ 3 ІМІТАЦІЙНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ ПЕРЕДАЧІ
ДАНИХ В КОМП’ЮТЕРНИХ СИСТЕМАХ З ШУМОВИМИ СИГНАЛАМИ ..79
3.1 Імітаційне моделювання систем з шумовими сигналами ............................79
3.2 Імітаційне моделювання системи з кореляційно-часовою модуляцією з
смуговим фільтром.................................................................................................86
3.3 Аналіз та моделювання дискретних систем в каналах з постійними
параметрами ............................................................................................................87
3.4 Дослідження завадостійкості імітаційної моделі автокореляційної
системи зв’язку в умовах каналу із змінними параметрами з використанням
імітаційного моделювання.....................................................................................89
ВИСНОВКИ ПО ТРЕТЬОМУ РОЗДІЛУ..................................................................98
РОЗДІЛ 4 РОЗРОБКА АПАРАТНО-ПРОГРАМНИХ ЗАСОБІВ
РЕАЛІЗАЦІЇ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧІ ДАНИХ ШУМОВИМИ СИГНАЛАМИ.....99
4.1 Побудова експериментальних макетів системи зв’язку із ФМШС.............99
4.2 Генератори шумових та псевдошумових сигналів......................................108
4.2.1 Аналогові генератори неперервних шумових сигналів...................108
ВИСНОВКИ ПО ЧЕТВЕРТОМУ РОЗДІЛУ......................................................118
ВИСНОВКИ ТА ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ..........................................119
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ..........................................................122

4. 4
СПИСОК ПРИЙНЯТИХ СКОРОЧЕНЬ
BER (Bit Error Rate) – частота виникнення бітової помилки
CDMA (Code Division Multiple Access) – множинний доступ із кодовим
розподілом каналів
CDSK (Correlation Delay Shift Keying) – кореляційно-часова маніпуляція
COOK (Chaotic On-Off Keying) – бінарна амплітудна маніпуляція
хаотичного сигналу
DCSK (Differential Chaos Shift Keying) – відносна хаотична маніпуляція
DSSS (Direct Sequence spread spectrum) – розширення спектру прямими
послідовностями
FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) – розширення спектру шляхом
стрибкуватого перестроювання частоти
IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) – інститут інженерів
з електроніки та електротехніки
QCSK (Quadrature Chaos Shift Keying) – квадратурна хаотична
маніпуляція
АМШС – амплітудна маніпуляція шумового сигналу
ЗШПФ – зворотне швидке перетворення Фур’є
КЧМШС – кореляційно-часова маніпуляція шумового сигналу
КШМ – квадратурна шумова маніпуляція
СКВ – середнє квадратичне відхилення
СПДШС – система передачі даних шумовими сигналами
ФМШС – фазова маніпуляція шумового сигналу
ЦОС – цифрова обробка сигналів
ЧМШС – частотна маніпуляція шумового сигналу
ШПФ – швидке перетворення Фур’є
КМОН – компліментарна логіка на транзисторах метал – оксид -
напівпровідник)
ШПС – шумоподібний сигнал
(СЦЗ) (DCS) - систем цифрового зв’язку

5. 5
ШСЗ - широкосмугові системи звязку.
СЩП - Спектральна щільність потужності
КЧШМ - Кореляційною часовою шумовою модуляцією

6. 6
ВСТУП
Актуальність теми дослідження.
На сучасному етапі розвитку комп’ютерних систем та мереж все більшою
стає частка систем, які використовують бездротові технології для обміну
інформацією. Широке використання вказаної технології призводить до появи
ряду проблем, зокрема, вичерпання радіочастотного ресурсу та необхідність
забезпечення надійного зв’язку в несприятливих умовах, наприклад, при
наявності великої кількості перешкод. Також важливим аспектом розвитку
комп’ютерних систем, призначених для передачі інформації, є забезпечення
захисту даних, що передаються. Все це ставить завдання пошуку нових рішень
на методичному, структурному та алгоритмічному рівнях при створенні
цифрових засобів реалізації комунікацій.
Одним із напрямків вирішення проблем, що описані вище, є
використання в комп’ютерних системах в якості носіїв даних шумових та
шумоподібних сигналів. Сигнали такого роду дозволяють конструювати
надширокосмугові модеми.
Можливості застосування шумових і шумоподібних сигналів
привертають увагу науковців, починаючи з 60-х – 70-х років минулого століття.
Питання удосконалення систем зв’язку з використанням шумових сигналів
розглядали вчені, серед яких, зокрема, А. А. Харкевич, А. А. Воронін,
Л. Е. Варакін, А. А. Сікарєв, А. М. Семенов, А. Г. Зюко, А. І. Семенко, М. Ю.
Ільченко, Ю.П. Кунченко, Ю. Г. Лега, А. С. Дмитрієв, М. І. Мазурков, Л. Н.
Беркман, Ф. Лау, М. Іто, Л. Ларсон, та багато інших .
Інтерес до можливості застосування шумових і шумоподібних сигналів
пов’язаний із тим, що використання надширокосмугових систем має ряд
переваг, порівняно із традиційними комп’ютерними системами передачі даних.
До них, зокрема, належать висока скритність передачі інформації за рахунок
зниження спектральної щільності радіосигналу та можливості маскування
передачі під випадкові шумові процеси, а також повторне використання смуги
частот, зайнятих абонентами, що використовують традиційні, вузькосмугові

7. 7
методи зв’язку. Однак, тривалий час розвиток зазначеної технології
обмежувався можливостями апаратного забезпечення. Розвиток елементної
бази систем і технологій обробки сигналів, перехід до цифрової обробки -
дозволяє вдосконалити існуючі та розробити нові методи підвищення
завадостійкості, зокрема, підвищення завадостійкості за рахунок зменшення
власних шумів систем.
Актуальність теми обґрунтована зростаючими вимогами до сучасних
систем та мереж зв’язку в промисловості та побуті. Останні досягнення
комунікаційних технологій, поліпшення якості каналів обміну даними
зумовило виникнення нового покоління бездротових комунікаційних засобів
комп’ютерних систем і мереж, реалізованих на основі широкосмугових
сигналів, що підтверджується значною кількістю публікацій з цієї теми. [1-38,
52].
Протягом останніх десятиліть бездротові технології глибоко увійшли в
практику побудови комп’ютерних систем та мереж як у промисловості, так і в
побуті. Широке використання даних технологій веде до дефіциту
радіочастотного ресурсу, необхідності функціонування в умовах інтенсивних
побутових та промислових завад.
Згадані вище проблеми в поєднанні з прагненням до зменшення розмірів
приймально-передавальних пристроїв, мінімізації енергії живлення,
підвищення рівня конфіденційності інформації та збільшення тривалості
роботи компонентів ставить завдання пошуку нових рішень на методичному,
структурному та алгоритмічному рівнях при створенні цифрових засобів
комунікації.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика
дисертаційної роботи пов’язана з пріоритетними напрямками розвитку науки і
техніки в рамках державних програм координаційних планів науково-
дослідних робіт Міністерства освіти і науки України – «фундаментальні
дослідження з найважливіших проблем природничих, суспільних та
гуманітарних наук».
Робота виконувалася згідно з планом наукових досліджень Черкаського

8. 8
державного технологічного університету та Міністерства освіти і науки
України в рамках тематичного плану НДР, що виконувались кафедрою
програмного забезпечення автоматизованих систем та кафедрою радіотехніки:
НДР 153/06 «Синтез та аналіз дискретних систем зв’язку з шумовими
сигналами з вторинною модуляцією ортогональними послідовностями» (номер
державної реєстрації 0106U004486), в якій автор був виконавцем.
Мета та завдання дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає в
підвищенні завадостійкості модемів комп’ютерних систем з кореляційно –
часовою модуляцією за рахунок розробки та вдосконалення методів
формування та обробки шумових сигналів у модемах комп’ютерних систем.
Відповідно до поставленої мети сформовано наступні задачі дослідження:
провести аналіз сучасних методів передачі даних шумовими та
шумоподібними сигналами;
розробити методи підвищення завадостійкості модемів з кореляційно-
часовими алгоритмами обробки шумових сигналів;
удосконалити математичні моделі засобів формування та обробки даних
модемів з шумовими сигналами;
виконати імітаційне моделювання та експериментальну перевірку
модемів з шумовими сигналами із використанням запропонованих методів з
метою перевірки достовірності теоретичних результатів.
Об’єкт дослідження – процеси передачі та обробки даних у модемах з
шумовими сигналами.
Предмет дослідження – методи та засоби формування і обробки
шумових сигналів на фізичному рівні у модемах комп’ютерних систем з
кореляційно-часовими алгоритмами обробки шумових сигналів.
Методи дослідження. При вирішенні поставлених в дисертації задач
проведені дослідження, що ґрунтуються на використанні методів теорії
передачі дискретних повідомлень (для побудови математичних моделей
передачі даних шумовими сигналами), теорії ймовірностей (для виконання
теоретичної оцінки завадостійкості систем передачі даних), математичної
статистики (для дослідження процесу передачі даних шумовими сигналами),

9. 9
математичного та імітаційного моделювання з використанням ЕОМ (для
розробки імітаційних моделей модемів з шумовими сигналами).
Наукова новизна отриманих результатів.
Вперше розроблено метод підвищення завадостійкості модемів з
шумовими сигналами шляхом синтезу модулятора, що повністю усуває
внутрішні завади системи та дозволяє підвищити завадостійкість системи.
Удосконалено метод теоретичної оцінки завадостійкості широкосмугових
систем з шумовими сигналами, що на відміну від відомих, враховують
негаусовий характер розподілу випадкових величин на виході кореляційного
пристрою.
Отримав подальший розвиток метод використання вторинної модуляції
шумового сигналу модулятора для збільшення завадостійкості і пропускної
здатності модемів, та метод підвищення рівня захищеності даних шляхом
використання ортогонального перетворення.
Достовірність отриманих результатів обґрунтована результатами
експериментальних досліджень, коректним використанням математичного
апарату та моделюванням на ПЕОМ.
Практичне значення отриманих результатів полягає в доведенні
одержаних наукових результатів до конкретних інженерних методів,
алгоритмів та структурних схем, які дозволяють забезпечити підвищення
завадостійкості при передачі даних шумовими сигналами, порівняно з
існуючими системами. Розроблено спрощену структуру приймально-
передавальної частини системи з з кореляційно-часовою маніпуляцією
шумового сигналу (КЧШМ) шумового сигналу, що дозволило покращити
завадостійкість модему по парметру перевищення сигнал – завада від 2 до 6 дБ.
Проведено дослідження залежності завадостійкості системи з шумовими
сигналами в каналі із змінними параметрами.
На основі розроблених математичних моделей створено програмний
комплекс для проведення комп’ютерного моделювання процесу передачі даних
шумовими сигналами. Також побудовано макет системи для проведення
експериментальних досліджень з метою підтвердження результатів

10. 10
теоретичних досліджень.
Результати дисертаційного дослідження впроваджені в ДП НДІ «Акорд»
(акт впровадження від 26 травня 2016 р.) та в навчальному процесі Черкаського
державного технологічного університету (акт впровадження від 01.12.2016 р.).
Особистий внесок здобувача. У дисертації узагальнено результати
досліджень, виконаних автором самостійно та у співавторстві. Усі основні
положення, викладені у роботі, одержані здобувачем особисто.
У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належать: [49] –
метод уточненого розрахунку імовірності помилки демодулятора; [58, 134] –
метод фазової маніпуляції шумового сигналу; [68, 59, 62, 60] – розроблено
моделі та структурні схеми приймально-передавальних пристроїв; [68, 59, 62,
58, 60] – математичні та імітаційні обчислювальні моделі систем; [68, 60, 133] –
планування експерименту, аналіз результатів; [57, 126, 135, 122] – моментно-
кумулянтний аналіз величини на вході детектора системи; [57] – метод
апроксимації функції щільності розподілу цієї величини; [146] – метод
формування матриці перетворення інформаційного сигналу, принцип
функціонування системи з підвищеним рівнем структурної скритності сигналу;
[132, 126] – метод комбінованої модуляції шумового сигналу; [61] – методи
багатопозиційної модуляції шумового сигналу, принцип модуляції
стохастичного сигналу із кортежем інформаційних сигналів; [62, 147, 136] –
основні теоретичні розрахунки.
Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні та практичні
результати досліджень доповідались та обговорювалися на наступних
конференціях та симпозіумах:
10-а Ювілейна Міжнародна конференція “Теорія і техніка передачі,
прийому та обробки інформації”. (Харків: ХНУРЄ, 2004);
ІХ Міжнародна науково-практична конференція «Системы и средства
передачи и обработки информации» (ССПОИ-2005) (Черкассы, 2005);
Шістнадцята наукова сесія осередку наукового товариства ім. Шевченка
у Черкасах, (Черкаси, 2006);
Сімнадцята наукова сесія осередку наукового товариства ім. Шевченка у

11. 11
Черкасах, (Черкаси, 2007);
«Сучасні телекомунікаційні та інформаційні технології». (Київ: УНДІЗ.
2009);
ІІ Міжнародна науково-практична конференція «Інформаційні технології
в освіті, науці і техніці» (ІТОНТ- 2014, Черкаси);
Международная конференция «ІІІ весенние научные чтения», (г.Харьков.
2015);
Міжнародна науково-практична конференція «Інформаційні технології в
освіті, науці і техніці» (ІТОНТ- 2016, Черкаси).
Публікації. Наукові положення та висновки дисертаційної роботи
опубліковані у 19 наукових працях (одна з них виконана одноосібно), з яких 8
статей у спеціалізованих фахових виданнях згідно із затвердженим переліком
(одна з них у закордонному виданні); 3 патенти на корисну модель; 8 матеріалів
міжнародних наукових конференцій.
Структура та обсяг роботи Дисертація складається із вступу, _ розділів,
висновків і списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертаційної роботи
становить 172 сторінки комп’ютерного тексту, у тому числі: основний текст
137 сторінок; 7 таблиць та 43 рисунки; 2 додатки обсягом 35 сторінок; список
використаних джерел складає 151 найменування.

12. 12
РОЗДІЛ 1
АНАЛІЗ ПРЕДМЕТУ ДОСЛІДЖЕННЯ. ПОСТАНОВКА ЗАВДАНЬ
1.1 Властивості сигналів з розширеним спектром
Бажання створити модеми з високою завадостійкістю та значною
прихованістю, що мають низьку енергетичну щільність, призвело до
інтенсивної розробки систем які застосувують сигнали з розширеним
спектром. Можливі різні методи побудови таких сигналів. Одним з них є
використання дійсно випадкового розширюючого шумового сигналу,
наприклад широкосмугового шуму.
Шумові сигнали – широкосмугові сигнали, які можуть бути згенеровані
за допомогою дуже простих схем у будь-якому діапазоні частот та з довільним
рівнем потужності. Широкосмугові властивості шумового носія корисні в
приміщеннях та мобільних клієнтах, де багатопроменеве розповсюдження
обмежує досяжність прийнятної імовірності виникнення помилки при передачі
повідомлення. Схеми модуляції, які використовують шумові сигнали в якості
носія, є некогерентиними. В якості шумових сигналів в некогерентних схемах
модуляції можна використовувати сигнали з динамічним хаосом (хаотичні) [39
- 60] а також сигнали типу реалізації випадкового стаціонарного процесу [37-
47]. Динамічний хаос – нерегулярна, аперіодична зміна стану динамічної
системи, що володіє основними властивостями випадкового процесу. Від
останнього відрізняється детермінованою природою, яка робить можливим
створення “шумоподібних” сигналів. Для використання останньої властивості
демодулятор хаотичних сигналів повинен відтворювати хаотичну несучу для
демодуляції. Разом з тим подальші дослідження показали [40 - 58], що системи
зв’язку, які використовують хаотичну синхронізацію (або хаотичний
синхронний відгук), мають обмеження на якість каналу зв’язку. Відношення
потужності сигнал/завада для синхронізації демодулятора та модулятора
хаотичної системи повинно бути значно вище ніж аналогічний параметр для
інформаційного сигналу, що є обмеженням практичного застосування такого
методу на короткотермінову перспективу.

13. 13
Шумовий сигнал з формально математичної точки зору є деякою
реалізацією заданого випадкового процесу. З технічної точки зору – це
широкосмугові сигнали, які можуть бути згенеровані за допомогою простих
схем (що, як правило, містять змінний випадковий параметр) та відповідають
заданому діапазону частот і рівню потужності. Широкосмугові властивості
шумової носійної виявляються корисними при роботі в приміщеннях та в
мобільних системах, де багатопроменеве розповсюдження обмежує досяжність
прийнятної імовірності виникнення помилки при передачі повідомлення.
Схеми модуляції, які використовують шумові сигнали у якості носія, є
некогерентними. У системах зв’язку з некогерентними схемами модуляції
використовують, як сигнали з динамічним хаосом (хаотичні) [70 - 81], так і
сигнали типу реалізації випадкового процесу [82 - 101]. Слід відмітити, що
хаотичні сигнали мають властивості схожі з сигналами типу випадкового
процесу та відрізняються детермінованою природою, яка робить можливим
створення “шумоподібних” хаотичних сигналів. Для використання останньої
властивості демодулятор хаотичних сигналів повинен відтворювати хаотичну
носійну для демодуляції.
Слід зауважити, що традиційні комунікаційні технології, які базуються на
методах та засобах формування і обробки сигналів з одиничною базою,
характеризуються низькою завадозахищеністю, значними експлуатаційними
витратами і практично вичерпали можливість подальшого суттєвого
вдосконалення. При застосуванні широкосмугових псевдовипадкових сигналів
і кореляційних методів їх обробки вирішується проблема завадозахищеності,
але суттєво зростає складність математичного забезпечення та апаратних
засобів відповідних систем зв’язку, що веде до збільшення їх вартості та
обмежує сферу використання.
Отже, виникає потреба пошуку принципово нових методів передачі
цифрової інформації, формування та обробки сигналів.
Традиційно забезпечення високої надійності обміну даними в
комунікаційних каналах ґрунтується на методах формування та обробки
широкосмугових сигналів з великою базою, при цьому найбільше застосування

14. 14
отримали засоби, реалізовані на основі формування дискретних
псевдовипадкових послідовностей та кореляційної обробки сигналів. Проте
згадані технології мають низку недоліків, які обмежують їх практичну
реалізацію, пов’язану з необхідністю застосування складних апаратних та
алгоритмічних методів формування псевдовипадкових послідовностей,
необхідністю зберігання еталонів сигналів в пристроях обробки,
використанням складних алгоритмів кореляційної обробки та переважним
використанням неоптимальних методів обробки синусоїдних сигналів-носіїв.
При цьому, здебільшого, в якості маніпульованих ознак таких сигналів
використовують амплітуду, частоту, фазу або комбінації цих ознак.
Загалом розвиток сучасних технологій спрямований на підвищення
швидкості обміну даними. Проте при реалізації деяких систем та мереж зв’язку
для вирішення задач з підвищеними вимогами до захисту та прихованості
інформації високі швидкісні параметри є менш важливими ніж забезпечення
надійності, стабільності та живучості системи при високій достовірності
обміну, а також задоволення вимог щодо відстані в умовах дії інтенсивних
завад різного походження та низького співвідношення сигнал/завада.
Отже, тема розробки і дослідження нових підходів до питань реалізації
комунікаційних технологій в комп’ютерних системах і мережах, спрямованих
на підвищення завадостійкості обміну даними та спрощення апаратного і
програмного забезпечення є актуальною.
В шістдесятих-сімдесятих роках минулого століття було запропоновано
цілий ряд систем зв’язку з використанням широкосмугових сигналів [1, 28]. Їх
виникнення пов’язане з необхідністю забезпечення стійкого радіозв’язку на
короткохвильовому діапазоні в умовах неминучих, при тому досить сильних,
завад, в деяких випадках, в умовах багатопроменевого розповсюдження
сигналу, або навіть за умов впливу штучних завад з боку супротивника.
Першими роботами, присвяченими широкосмуговим системам, були
роботи Фено (1952 р.) та А.А. Харкевича (1957 р.). Основні принципи цього
виду зв’язку та шляхи їх можливої реалізації розглянуті у фундаментальній
роботі Л.М. Фінка [7], працях Н.Л. Теплова [10], А.Г. Зюко [11] та ряду інших.

15. 15
До переваг широкосмугових систем можна віднести наступне:
– широкосмуговий радіозв’язок може забезпечити високу достовірність
прийому з надзвичайно невеликим коливанням імовірності помилок;
– використання в широкосмугових системах радіозв’язку сигналів
складної форми (шумоподібних) також ускладнює вилучення
інформації з сигналу, якщо невідомі дані про його структуру. Це
важливо, зокрема, для комерційного та військового зв’язку.
Переваги широкосмугових систем обумовлені широким використанням в
них принципів статистичної теорії зв’язку, що дозволяє найбільш повно
реалізувати оптимальні умови прийому сигналів.
Слід зауважити, що методи широкосмугового радіозв’язку, як правило,
розраховані для передачі дискретних повідомлень.
Виділення сигналів із шумів в широкосмугових системах можливо,
зокрема, з використанням методів прийому, які базуються на вимірюванні
короткочасової функції автокореляції вхідного сигналу. Такі системи
називають автокореляційними [12].
Оскільки в таких системах роль опорного сигналу виконує сам вхідний
сигнал, то автокореляційні системи можуть досить ефективно працювати як в
каналах з постійними, так і з змінними параметрами, у тому числі в каналах з
багатопроменевим розповсюдженням. З цієї ж причини відпадає необхідність
будувати в приймальному пристрої генератори переданих сигналів (або
узгоджені з переданими сигналами фільтри) та досить складні системи
вимірювання параметрів каналу зв’язку. Водночас знижуються вимоги до
точності синхронізації. Такі системи мають більш просту апаратурну
реалізацію.
Крім того, оскільки в демодуляторі відсутня реконструкція прийнятих
сигналів, то в якості сигналів можуть бути використані не тільки
псевдовипадкові сигнали, що отримуються від спеціальних досить складних
генераторів, а й відрізки шуму “природних” джерел, наприклад, шумових
діодів, тощо.
Однак, простота реалізації автокореляційних систем досягається за

16. 16
рахунок суттєвого зниження їх потенційної завадостійкості, зокрема, внаслідок
високого рівня так званих власних шумів [33]. Як наслідок широкого
практичного застосування такі системи зв’язку до цих пір не знайшли. Тим
більш актуальною постає задача пошуку нових, методів модуляції шумових
сигналів з більшою завадостійкістю, надійних програмних та апаратних рішень
їх реалізації.
Однак системи цифрового зв’язку стають все більш привабливими
завдяки тому, що цифрова передача надає можливості обробки інформації, які
недоступні при використанні аналогових методів передачі. [1]
Виразною особливістю систем цифрового зв’язку (СЦЗ) (DCS) є те, що за
скінченний проміжок часу вони випромінюють сигнал, який складається із
скінченного набору елементарних сигналів (на відміну від систем аналогового
зв’язку, де сигнал складається із нескінченої множини елементарних сигналів).
В системах СЦЗ задачею демодулятора є не точне відтворення сигналу, який
було передано, а визначення на базі спотвореного шумами сигналу, який саме
сигнал, із скінченого набору, було передано модуляторем (задача розрізнення).
Важливим критерієм продуктивності СЦЗ є ймовірність помилки (Ре). [1]
Основною перевагою цифрових систем зв’язку є легкість відновлення
(регенерації) цифрових сигналів (на відміну від аналогових). За відновлення
сигналу в каналі зв’язку відповідають регенеративні ретранслятори, які
розміщуються в каналі зв’язку на певній відстані один від одного. В аналогових
системах регенеративні ретранслятори разом з підсиленням інформаційного
сигналу підсилюють і завади, які присутні в каналі, що негативно впливає на
базовий інформаційний сигнал, а відповідно і на ймовірність помилки. [1]
Цифрові канали менш схильні до спотворення та інтерференції ніж
аналогові. Оскільки двійкові системи випромінюють сигнал, який має лише два
можливі стани, що відповідають передачі символу «0» або «1», спотворення
сигналу в каналі повинно бути достатньо великим, щоб перевести робочу точку
з одного стану в інший. Наявність всього двох станів полегшує відновлення
сигналу, а, відповідно, запобігає накопиченню в процесі передачі шумів або
інших спотворень. В аналогових системах сигнал може приймати нескінченну

17. 17
множину форм. В аналогових каналах навіть невелике спотворення може
змінити сигнал настільки, що його неможливо буде розпізнати. Спотворення
аналогового сигналу неможливо усунути шляхом підсилення. Оскільки
накопичення впливу завад невід’ємно пов’язане з аналоговими сигналами, як
наслідок, вони не можуть відтворюватись ідеально.
При використанні цифрових технологій дуже низька частота
виникнення помилок, а також застосування процедур виявлення та корекції
помилок, роблять можливим високу достовірність передачі даних, що є
неможливим для аналогових систем. Також цифрові системи більш надійні і
мають меншу вартість виробництва ніж аналогові. Крім того, цифрове
програмне забезпечення допускає більш гнучке налагодження функціонування
системи.
Тому дослідження та застосування цифрових методів обробки до
аналогових систем є перспективним напрямком.
1.2 Шумоподібні сигнали та широкосмугові системи зв’язку
Вперше використовувати складні шумові сигнали для передачі
інформації запропонував академік А.А. Харкевич [12]. Він вказав на
можливість використання шуму в якості (носійного) коливання-носія. Зміною
потужності шуму можна здійснити модуляцію, яка подібна до звичайної
амплітудної, а зміною граничних частот спектра шуму – частотно-шумовою
модуляцією.
Шумоподібними сигналами [17-27] є такі сигнали, які мають добуток
ширини смуги F на час (тривалість) T значно більше одиниці. Цей добуток
називається базою сигналу й позначається В.
FTB =
У ШПС 1>>B . Шумоподібні сигнали іноді називають складними на
відміну від простих сигналів де 1=B .
В системах звязку з ШПС ширина спектру ШПС F завжди багато більше
ширини спектру повідомлення, що передається. В цифрових системах звязку,
що передають інфомацію у вигляді двійкових символів, тривалість ШПС та

18. 18
швидкість передачі інформації R повязані співвідношенням RT /1= . Так база
ШПС
RFB /=
характеризує розширення спектру ШПС відносно спектру повідомлення. В
аналогових системах звязку, в яких верхня частота повідомлення W і частота
відліку дорівнює 2W
WFB 2/=
Якщо 1>>B , то RF >> й WF 2>> . Саме тому системи звязку з ШПС в
закордонній літературі отримали назву системи з розширеним (або
розподіленим) спектром, а в вітчизняній літературі – широкосмугові системи
звязку (ШСЗ).
Завадозахищеність [7] – це властивість системи звязку протидіяти впливу
потужних завад. Завадозахищеність поєднує в собі прихованість системи звязку
та її завадостійкість, оскільки для створення потужних завад необхідно
спочатку виявити систему зв`язку та виміряти основні параметри її сигналів, а
потім організувати потужну, найбільш потужну заваду.
Завадостійкість визначається відомим співвідношенням, що пов`язує
відношення сигнал – завада на виході демодулятора (на виході узгодженого
фільтру або корелятора) q2
з відношенням сигнал – завада на вході
демодулятора 2
ρ
22
2 ρBq = ,
де 2
ρ =Рс/Рп (Рс, Рп – потужності ШПС та завади), q2
= 2Е/Nп, Е – енергія ШПС,
Nп – спектральна щільність потужності завади в смузі ШПС. Відповідно Е=РсТ,
а Nп=Рп/F, B – база ШПС.
На сьогодні існує величезний попит на бездротові мережеві пристрої з
високою швидкістю передачі даних та з можливістю працювати автономно на
одному заряді батареї протягом років. Ця проблема може бути вирішена тільки
за допомогою побудови електронних схем на основі КМОН (компліментарна
логіка на транзисторах метал-оксид-напівпровідник) технології [38-40]. Проте
радіочастотний діапазон, де КМОН може бути використано, вже зайнятий

19. 19
звичайним вузькосмуговим радіозв’язком. Одним із напрямків вирішення цієї
проблеми є повторне використання частотного діапазону.
Нещодавно розроблений інструмент повторного використання частот –
надширокосмуговий зв’язок [18-30], де спектр сигналу, що передається,
охоплює надшироку смугу частот. Спектральна щільність потужності
(СЩП) переданого надширокосмугового сигналу є вкрай низькою і не викликає
жодного помітного впливу на звичайні телекомунікаційні системи, які
працюють в тій же смузі частот.
Надширокосмуговий зв’язок має наступні особливості:
− ширина радіосмуги має бути не меншою ніж 500 МГц;
− не дозволяється руйнування вже існуючих радіоканалів, які
використовують ту ж саму смугу радіочастот, тому СШП сигналу
повинна підтримуватися нижче наперед зазначеного рівня;
− не використовується часова послідовність розширення спектру,
замість неї здійснюється пряма модуляція надширокосмугового
носія.
Системи зв’язку з шумовими сигналами у якості носія є за своєю
суттю надширокосмуговими системами та відповідають вимогам,
згаданим вище.
Поняття «широкосмугові системи радіозв’язку» на даний час поєднує в
собі велику кількість варіантів таких систем, які відрізняються одна від іншої
по формі сигналів, які використовуються, методом їх формування, методом їх
прийому та рядом інших параметрів. Відповідно і області застосування є
різними.
На рисунку 1.1 надано класифікацію широкосмугових систем
радіозв’язку [7].
Велику групу широкополосних систем утворюють взаємокореляційні
активні та пасивні системи. У взаємокореляційних активних системах сигнал
реєструється в приймальному пристрої шляхом порівняння з еталонними [12],
які сформовані за тим же принципом, що і на модуляторі. Системи такого типу

20. 20
дозволяють найбільш повно реалізувати потенційну завадостійкість.
Багатопроменевість в них не обмежує швидкості передачі. Найбільшим
недоліком таких систем, що ускладнює їх практичну реалізацію, є необхідність
точної синхронізації опорних сигналів, які формуються в приймальному
пристрої, з тими, які приймаються. Точність синхронізації повинна бути
порядку
F
1
для некогерентного прийому та ще вище у випадку когерентного.
Також для цих систем характерно відносно великий, в порівнянні з іншими
системами, час входження в зв'язок, що зменшує прихованість роботи й
ускладнює роботу короткими сеансами, й відносна складність практичних
рішень по використанню багатопроменевості, що призводить до збільшення
габаритів апаратури, її вартості та ускладненню її експлуатації.
Під взаємокореляційними пасивними системами мають на увазі такі, в
яких відомості про сигнали, що приймаються, закладено в характеристиках
узгоджених фільтрів приймального пристрою. Такі системи також дозволяють
реалізувати потенційну завадостійкість. Багатопроменевість в них не обмежує
швидкість передачі інформації. Для реалізації оптимальних умов прийому в
цих системах принциповою є синхронізація з точністю порядку
F
1
.
Синхронізувати потрібно момент зчитування вихідної напруги на виході
узгодженого фільтру. Але в цих системах, якщо допустити невеликий
енергетичний програш, можна відмовитись від синхронізації взагалі або значно
зменшити вимоги до її точності. Реалізація таких систем призводить також до
доволі громіздких пристроїв й пов’язана з певними технічними труднощами.
Активні і пасивні взаємокореляційні системи можуть бути розділені на
два класи: з когерентним та некогерентним прийомом сигналів.
Теоретичний розгляд порівняння завадостійкості систем когерентного та
некогерентного прийому показує, що при високих значеннях надійності
прийому, які визначаються ймовірністю помилки порядку 10-3
-10-4
,
енергетичний програш некогерентних систем не перевищує 1 дб. Водночас
практична реалізація схем когерентного прийому пов’язана із значними

21. 21
технічними складнощами, які погіршуються нестабільністю в часі фазових
характеристик середовища розповсюдження. В зв’язку з цим в деяких випадках
більш доцільними є системи некогерентного прийому.
Широкосмугові системи зв’язку
Взаємокореляційні
системи
Дискретно-адресні
системи
Автокореляційні
системи
Активні
системи
Пасивні
системи
Системи
некогерентного
приймання
Системи
когерентного
приймання
Системизчасовим
кодуванням
Системиз
частотним
кодуванням
Системиз
частотно-часовим
кодуванням
Синхронні
системи
Асинхронні
системи
Системизчасовим
ущільненням
Системизчастотним
ущільненням
Системизчастотно-
часовим
ущільненням
Рисунок 1.1 - класифікація широкосмугових систем радіозв’язку.
Автокореляційні системи утворюють іншу групу. Їх завадостійкість гірша
за взаємокореляційні. Однак вони вигідно відрізняються від останніх значно
більшою простотою реалізації. На приймальній стороні не потрібна апаратура
формування опорного сигналу, фазової та частотної синхронізації, аналізу
параметрів каналу зв’язку. Відповідно, приймально-передавальні пристрої
систем даного типу є більш надійні й компактні. [47]
На рисунку 1.2 наведено види модуляції, на основі яких будуються
системи зв’язку з шумовими сигналами у якості носія. Вище описані методи
модуляції можуть використовувати в якості носія, як шумовий сигнал, так і
реалізації випадкового процесу.

22. 22
Рисунок 1.2 - Класифікація систем зв’язку з шумовими сигналами
Розглянемо автокореляційні широкосмугові системи з маніпуляцією
додаткового максимуму кореляційної функції сигналу, які ще називають
системами з кореляціно-часовою модуляцією.
В широкосмугових дискретних системах зв’язку на відміну від систем
зв’язку, які використовують прості сигнали, коли кожна реалізація сигналу
являє собою відрізок гармонійного коливання, яке відрізняється амплітудою,
частотою, початковою фазою або декількома з цих параметрів, елемент сигналу
не є відрізком гармонійного коливання, а має більш складну форму.
1.3 Метод формування та обробки шумових сигналів з кореляційно-
часовою шумовою модуляцією
В методі з відносною шумовою модуляцією опорний сигнал передається
окремо від сигналу, який містить дані. Для того, щоб підвищити захист
інформації, що передається, було запропоновано метод з кореляційною часовою
шумовою модуляцією (КЧШМ) [1] Cтруктурна схема пристроїв на основі
методу з КЧШМ показана на рисунку 1.3.
Під час l-ого тактового інтервалу сигнал на виході пристрою формування
має наступний вигляд



−=−−
+=−+
=
,1),()(
1),()(
)(
λτ
λτ
символяпередаєтьсколиtxtx
символяпередаєтьсколиtxtx
ty (1.1)
Відносна
шумова
модуляція
Кореляційна
шумова
модуляція
Шумова
квадратурна
модуляція
Відносна шумова
модуляція з
перестановками
Шумовамодуляціяз
ввімкненням/вимкненням
шумова
модуляція з
кумулянтними
функціями
шумова
модуляція з
маніпуляцією
амплітуди
Комп’ютерні системи передачі даних з випадковим процесом у якості
носія

23. 23
де τ – це затримка, перший доданок )(tx – опорний сигнал, )( τ+± tx -
модульований сигнал )(tx у відповідності до інформаційного символу, λ -
бінарне інформаційне повідомлення.
Пристрій обробки на основі корелятора здійснює відновлення сигналу.
На виході корелятора, у кінці l-го символьного інтервалу, спостерігаємо сигнал
виду
∫−
−=
lTs
Tsl
s
dttztzlTr
)1(
)()()( τ
s
s
lT
(l-1)T
y( ) = r( )r( ) .slT t t -τ dt∫ (1.2)
Рисунок 1.3 – Структурна схема пристроїв: а) формування та б) обробки
шумових сигналів на основі методу з КЧШМ
Якщо сигнал, який передається, проходить крізь канал з адитивною
завадою, тоді на виході корелятора маємо
λ
Блок
формування
шумового
сигналу
Затримка
на τ
y(t)
а)
Канал зв’язку n(t)
Затримка
на τ
r(lTs)
пороговий
детекторКорелятор
б)
z(t)=y(t)+n(t)
r(t)= x(t)+ v(t)
∫ •
2/
0
Ts
dt
/2T
×
×
+
x(t)

24. 24
∫∫
∫∫
∫
∫
−−
−−
−
−
−+−+
+−+−=
=−+−+=
=−=
lTs
Tsl
lTs
Tsl
lTs
Tsl
lTs
Tsl
lTs
Tsl
lTs
Tsl
dttntndttnty
dttntydttyty
dttntytnty
dttztzlTsr
)1()1(
)1()1(
)1(
)1(
))()(())()((
))()(())()((
))()())(()((
)()()(
ττ
ττ
ττ
τ
(1.3)
При відсутності у середовищі передачі завад, )(lTsr дорівнює
[ ][ ]
[ ] ,)2()()2()()()(
)2()()()()(
)1(
2
)1(
dttxtxtxtxtxtx
dttxtxtxtxlTsr
lTs
Tsl
lTs
Tsl
∫
∫
−
−
−−±−±−+=
=−±−−+=
ττττ
τττ
(1.4)
якщо передавалось значення “+1” l-м символом, то
[ ][ ]
[ ] ,)2()()2()()()()(
)2()()()()(
)1(
2
)1(
dttxtxtxtxtxtxtx
dttxtxtxtxlTsr
lTs
Tsl
lTs
Tsl
∫
∫
−
−
−−±−±−+−−=
=−±−−−=
τττττ
τττ
(1.5)
якщо передавалось значення “-1” l-м символом.
Ймовірність помилки в автокореляційних системах розглянута [1, $4.3
c210]. Генератор шуму модулятора у всіх схемах генерує нормальний шум z(t) з
рівномірним спектром в смузі частот F, а на вхід демодулятора крім корисного
сигналу поступає адитивна завада )(tξ у вигляді нормального білого шуму в
смузі частот корисного сигналу.
Ймовірність помилки для системи (рисунок 1.4 1.6) [1] має наступний
вигляд
















++
Φ−=
224
2
)(8169
1
FTFThh
FTh
p , (1.6)
де FT- база системи, 2
2
ν
TP
h c
= - відношення енергії отриманого корисного

25. 25
сигналу до спектральної щільності флуктуаційної завади.
Для когерентного прийому в оптимальній взаємокореляційній системі з
ортогональними сигналами вираз для ймовірності помилки наступний
( )[ ]hp Φ−= 1
2
1
(1.7)
p
0 5 10 15 20
0
0.1
0.2
0.3
p
p1
h1
Рисунок 1.4 – Порівняльний графік завадостійкості систем.
З порівняння формул (1.6) та (1.7) видно, що в автокореляційній системі
ймовірність помилки залежить не лише від відношення енергії сигналу до
спектральної щільності флюктуаційної завади h2
але і від значення бази В=FT
сигналів, що використовуються. В цьому проявляється неоптимальність систем
з кореляційно-часовою модуляцією, і, як наслідок, наявність в опорному
сигналі флюктуаційної завади )(tξ й достатньо великого рівня власних шумів.
В автокореляційній системі з активною затримкою й протилежними
сигналами (рисунок 1.6) повна ймовірність помилки дорівнює
























++
Φ−=
FTh
FT
h
h
p
24
2
5
1
2
4
2
(1.8)
Поставимо задачу підвищити завадостійкість автокореляційних
широкосмугових систем, з використанням в якості носія шумового сигналу.
1.4 Метод формування та обробки шумових сигналів Ланге-Мюллера
В якості базової розглянемо систему запропоновану Ланге та Мюллером
[13, 14], структурна схема пристрою якої зображена на рисунку 1.5. Cхема має

26. 26
подвійну лінію затримки на модуляторі й демодуляторі та два інтегратори.
Г Блок
формування
шумового
сигналу Затримка
на τ1
y(t)
“0” чи “1”
в залежності від
передаваного
символу
а)
Канал зв’язку n(t)
Затримка
на τ1
r1(lTs)
пороговий
детектор
Корелятор
б)
z(t)= y(t)+ n(t)
∫ •
2/
0
Ts
dt×
+
Затримка
на τ2
K
0
1
λ
x(t)
Затримка
на τ2
Корелятор
∫ •
2/
0
Ts
dt×
r2(lTs)
Рисунок 1.5 – Схема системи зв’язку (кодуючого пристрою модулятора та
демодулятора). а) формування та б) обробки шумових сигналів на основі
методу з КЧШМ з 2 лініями затримки (1го типу). (Ланге-Мюллера)
На рисунку використані наступні позначення: Г – генератор шуму, λ –
бінарне інформаційне повідомлення, τ1 і τ2 – лінії затримки відповідно на час τ1
і τ2, K – комутатор.
В момент початку кожного символьного інтервалу комутатор K
перемикається в положення 0 або 1 відповідно до значення нового поточного
біта інформаційного повідомлення λ і залишається у фіксованому положенні
протягом наступного символьного інтервалу часу T.

27. 27
Таким чином, під час l-ого тактового інтервалу сигнал на виході
пристрою формування має наступний вигляд



=−+=
=−+=
=
1)(),()()(
0)(),()()(
)(
21
10
ttxtxty
ttxtxty
ty
λτ
λτ
(1.9)
Схожий до методу з КЧШМ пристрій обробки на основі корелятора
здійснює відновлення сигналу. На виході корелятора, у кінці l-го символьного
інтервалу, спостерігаємо сигнал виду







−=
−=
=−=
∫
∫
∫
−
−
−
lTs
Tsl
lTs
Tsl
lTs
Tsl
s
dttztzr
dttztzr
dttztzlTr
)1(
22
)1(
11
)1(
2,1
)()(
)()(
)()()(
τ
τ
τ (1.10)
Якщо сигнал, який передається, проходить крізь канал з адитивною
завадою, тоді на виході корелятора маємо
∫∫
∫∫
∫
∫
−−
−−
−
−
−+−+
+−+−=
=−+−+=
=−=
lTs
Tsl
,
lTs
Tsl
,
lTs
Tsl
,
lTs
Tsl
,
lTs
Tsl
,,
lTs
Tsl
dttntndttnty
dttntydttyty
dttntytnty
dttztzlTsr
)1(
21
)1(
21
)1(
21
)1(
21
)1(
2121
)1(
2,1
))()(())()((
))()(())()((
))()())(()((
)()()(
ττ
ττ
ττ
τ
(1.11)
При відсутності у середовищі передачі завад, )(lTsr дорівнює
[ ][ ]
[ ] ,)2()()2()()()(
)2()()()()(
)1(
1111
2
11
)1(
11
dttxtxtxtxtxtx
dttxtxtxtxlTsr
lTs
Tsl
lTs
Tsl
∫
∫
−
−
−−+−+−+=
=−+−−+=
ττττ
τττ
(1.12)
якщо передавалось значення “0” l-м символом, тоді

28. 28
[ ][ ]
[ ] ,)2()()2()()()()(
)2()()()()(
)1(
22222
2
22
)1(
22
dttxtxtxtxtxtxtx
dttxtxtxtxlTsr
lTs
Tsl
lTs
Tsl
∫
∫
−
−
−−+−+−+−=
=−+−−−=
τττττ
τττ
(1.13)
якщо передавалось значення “1” l-м символом.
1.5 Метод формування та обробки шумових сигналів з кореляційно-
часовою шумовою модуляцією з обертанням фази Вороніна А.А.
З метою зменшення впливу власних шумів Вороніним [18]
запропонована система з протилежними сигналами, структурна схема
кодуючого пристрою якої зображена на рисунку 1.6.
Г Блок
формування
шумового
сигналу ξ(t)
Затримка
на τ1
y(t)
“0” чи “1”
в залежності від
передаваного
символу
а)
Канал зв’язку n(t)
Затримка
на τ1
y(lTs)
пороговий
детекторКорелятор
б)
z(t)= y(t)+ n(t)
/2
0
Ts
dt•∫×
+
ФО
Пристрій
обертання фази
K
0
1
λ
x(t)
Рисунок 1.6 - Схема системи зв’язку (кодуючого пристрою модулятора з
обертанням фази та демодулятора). а) формування (модулятор) та б) обробки
шумових сигналів (демодулятор) на основі методу з КЧШМ Вороніна
Відмінність від системи, що запропоновано Ланге та Мюллером [13, 14]
полягає в тому, що лінія затримки в кодуючому пристрої лише одна, натомість

29. 29
присутній пристрій обертання фази, позначений на рисунку ФО. В результаті
на виході маємо сигнал за формулою (1.9)
Автокореляційне отримання сигналів передбачає обробку в
приймальному пристрої отриманої суми корисного сигналу та завад каналу
зв’язку за допомогою схеми автокорелятору.
Схема демодулятора включає в себе наступні елементи: перемножувач,
пристрій (лінію) затримки та інтегратор.
1.6 Удосконалення автокореляційних систем зв’язку з шумовою носійною
1.6.1 Модифікований метод формування та обробки шумових сигналів з
кореляційно-часовою шумовою модуляцією Ланге – Мюллера
В пошуках шляхів підвищення завадостійкості систем, які
запропоновано, як аналоги, в вище [13, 14, 18] (рисунок 1.5, 1.6), зокрема схему
Ланге – Мюлллера, в процесі дослідження виявлено та запропонуємо нову
схему.
Для підвищення завадостійкості в [125] нами запропоновано і описано
наступну схему, що характеризується відсутністю суматора (рисунок 1.7). В ній
виходи ліній затримки не додаються до основного каналу з шумом )(tx , а в
певні періоди часу заміщують його у вихідному сигналі )(ty . Такий підхід
очевидно дещо зменшує захищеність інформації в каналі зв’язку від
несанкціонованого доступу, однак при цьому вплив власних шумів системи
зводиться практично до нуля, як результат – очікується суттєве підвищення
завадостійкості.
Принцип його роботи наступний: протягом першої частини
символьного інтервалу комутатор знаходиться в положенні x і на вихід схеми
напряму надходить сигнал )(tx з генератора Г; якщо поточне значення 0=λ , то
в момент часу '101 ττ += T на проміжок часу T0 комутатор перемикається в
положення 0 після чого повертається у вихідне положення x ; якщо ж 1=λ , то в
момент часу '202 ττ += T комутатор перемикається в положення 1. Параметри 1τ ,
2τ і 0T вибираються так, щоб виконувались нерівності TT ≤+ 01τ і TT ≤+ 02τ .

30. 30
Рисунок 1.7 - Модифікована схема системи зв’язку Ланге-Мюллера ( а) –
модифікований модулятор б) – демодулятор).
1.6.2 Модифікований метод формування та обробки шумових сигналів з
фазовою модуляцією Вороніна
В пошуках шляхів підвищення завадостійкості систем, які
запропоновано, як аналог, раніше (див. [14]) (рисунок 1.6), зокрема схема
Вороніна, запропонуємо нову схему і порівняємо показники їх завадостійкості
між собою.
Для підвищення завадостійкості запропонуємо наступну схему, що
характеризується відсутністю суматора (рисунку 1.8). В ній виходи ліній
затримки чи пристроїв обертання фази не додаються до основного каналу з
шумом )(tx , а в певні періоди часу заміщують його у вихідному сигналі )(ty .
Такий підхід очевидно дещо зменшує захищеність інформації в каналі зв’язку
від несанкціонованого доступу, однак при цьому вплив власних шумів системи
зводиться практично до нуля, як результат – очікується суттєве підвищення
завадостійкості.
Принцип його роботи наступний: протягом першої частини символьного
інтервалу комутатор знаходиться в положенні x і на вихід схеми напряму
надходить сигнал )(tx з генератора Г; якщо поточне значення 0=λ , то в
момент часу '101 τ+=τ T на проміжок часу T0 комутатор перемикається в
положення 0 після чого повертається у вихідне положення x ; якщо ж 1=λ , то
комутатор перемикається на інвертор (фазообертач) в положення 1.

31. 31
Рисунок 1.8 - Модифікована схема системи зв’язку Вороніна ( а) –
модифікований модулятор б) – демодулятор).
1.6.3 Модифікований метод формування та обробки шумових сигналів з
фазовою модуляцією Вороніна 2
В пошуках шляхів підвищення завадостійкості системи Вороніна (рис.
1.6), яка запропонована як аналог в першому розділі запропонуємо нову схему.
На рисунку 1.9 зображено модифіковану схему системи зв’язку Вороніна,
зокрема, з модифікованим кодуючим пристроєм модулятора. В даному
модуляторі порівняно з базовим модулятором (рисунок 1.6), продубльовано
канал лінії затримки та пристрою обертання фази з іншим значенням затримки
τ2. Це дозволяє за один символьний інтервал передавати два біта
інформаційного повідомлення. Тому при збереженні швидкості передачі даних
маємо можливість вдвічі збільшити символьний інтервал, за рахунок чого
отримуємо підвищення завадостійкості.
)t(ξ
Рисунок 1.9 - Модифікована схема системи зв’язку Вороніна 2.
1.7 Завдання дослідження
Отже, виходячи із можливостей модифікації систем передачі даних з
кореляційно-часовими алгоритмами обробки шумових сигналів, з метою
підвищення їх завадостійкості та збільшення пропускної здатності, при
збереженні високого рівня скритності, необхідне вирішення наступних задач:

32. 32
- Вдосконалення систем передачі даних, запропонованих Ланге-
Мюллером та Вороніним.
- Дослідження вдосконалених систем передачі даних, запропонованих
Ланге-Мюллером та Вороніним.
- Порівняльний аналіз завадостійкості класичних та запропонованих
систем, обгрунтування напрямків подальшого аналізу.
- Дослідження завадостійкості перспективних систем для каналів із
постійними та змінними параметрами.
- Вдосконалення та дослідження систем множинного доступу.
- Розробка структурних, алгоритмічних і програмних рішень засобів
зв’язку на базі розроблених систем.
- Експериментальне дослідження завадостійкості розроблених методів
передачі даних за допомогою імітаційного моделювання та макетів систем
передачі даних.

33. 33
ВИСНОВКИ ПО ПЕРШОМУ РОЗДІЛУ
Проаналізовано особливості застосування широкосмугових сигналів для
передачі даних та розглянуто основні існуючі методи розширення спектру
сигналу повідомлення.
Визначено перспективні напрямки розвитку систем з кореляційно-
часовими алгоритмами обробки шумових сигналів та, на їх основі,
сформульовано задачі подальших досліджень.
1. Проведено аналіз властивостей сигналів із розширеним спектром, а
також особливості їх використання для передачі інформації. Встановлено, що
широкосмугові сигнали мають наступні особливості: низька спектральна
щільність сигналу, і як наслідок – висока енергетична скритність, можливість
повторного використання частотного діапазону, захищеність від
вузькосмугових перешкод.
2. Проаналізовано телекомунікаційні системи на базі шумових сигналів,
у результаті чого встановлено:
a. Когерентні методи передачі даних мають найвищу серед усіх
розглянутих систем завадостійкість, але вимагають високої точності
синхронізації, що обмежує їх використання у зашумлених каналах;
b. система Ланге-Мюллера має високий рівень скритності та є досить
простою в реалізації, однак серед усіх розглянутих систем її завадостійкість
найнижча;
c. кореляційно-часова модуляція забезпечує максимальний рівень
скритності, при цьому маючи вищу завадостійкість, порівняно із системою
Ланге-Мюллера, однак нижчу, ніж у систем із ФМШС.
d. Із некогерентних систем передачі даних найкращими показниками
завадостійкості володіє передача даних із фазовою маніпуляцією, яка також має
хороші показники енергетичної скритності, хоча її структурна скритність
невисока
e. Подібними до систем із фазовою маніпуляцією є системи,що
використовують автокореляційний принцип обробки шумового сигналу. Вони

34. 34
мають високу енергетичну і структурну скритність, та відносно просту
реалізацію, але водночас нижчу завадостійкість, ніж ФМ-системи.
f. Серед автокореляційних методів передачі даних шумовими сигналами
виділяється метод формування та обробки шумових сигналів з кореляційно-
часовою шумовою модуляцією з обертанням фази Вороніна А.А. Він дозволяє
виконувати передачу із максимальною енергетичною та структурною
скритністю, однак має невисоку завадостійкість, порівняно з іншими типами
систем.
3. Визначено перспективні напрямки розвитку систем з кореляційно-
часовими алгоритмами обробки шумових сигналів (модифіковані системи
Ланге-Мюллера та Вороніна) та, на їх основі, сформульовано задачі
дослідження.

35. 35
РОЗДІЛ 2
ЗАВАДОСТІЙКІСТЬ СИСТЕМ З ШУМОВИМИ СИГНАЛАМИ
2.1 Дослідження завадостійкості бінарного автокореляційного
демодулятора шумових сигналів з фазовою маніпуляцією
Дослідимо схему, яка запропонована в першому розділі, що розглянута
Семеновим [1], де вміщено дослідження завадостійкості системи з
протилежними сигналами, яка вперше запропонована в [18], та має підвищений
рівень завадостійкості. Схема пристрою цієї системи зображена в першому
розділі на рисунку 1.6 Виконаємо дослідження цієї системи використовуючи
імітаційне моделювання [41].
Отже на виході модулятора (Рисунок 1.6) маємо сигнал
( ) ( ) ( ) ( )τα −⋅+= txtxty λλ, , ( )



=−
=
=
,1λ,1
,0λ,1
λα (2.1)
де τ передбачається багато більшим ніж інтервал кореляції випадкового
сигналу x(t). Кожен новий інформаційний біт λ надходить до комутатора з
інтервалом часу T (символьний інтервал).
На вході демодулятора спостерігається сигнал виду
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )tntxtxtntytz +−⋅+=+= τα λλ, , (2.2)
де ( )tn – завади присутні в каналі зв’язку.
Оптимальний демодулятор таких сигналів при визначенні оцінки λ
поточного біта інформаційного повідомлення реалізує наступний алгоритм



≤
>
=
,0,1
,0,0
λ
r
r
( ) ( )∫
+
−⋅=
Tt
t
dttztzr
0
0
τ , (2.3)
де 0t – початок символьного інтервалу.
Структурна схема декодера системи зображена на рисунку 1.6)
Експериментальна перевірка завадостійкості описаної системи за
допомогою імітаційної обчислювальної моделі та акустичної моделі передачі
показали суттєву відмінність між оцінками імовірності помилки, отриманими в
результаті експериментів та оцінками наведеними в [1].
Поставимо задачу пошуку способів уточнення теоретичної оцінки

36. 36
завадостійкості широкополосних систем з шумовими сигналами на прикладі
вказаної вище системи.
Припустимо, що обробка сигналу в демодуляторі здійснюється
цифровими методами. На вході декодера знаходиться аналогово-цифровий
перетворювач, що з періодом дискретизації t∆ подає для подальшої обробки
дискретні відліки сигналу ( )tz . Тоді на перемножувач надходить два вектора 0
z
та τ
z , координати яких дорівнюють
( ) ( ) ( )( ) mikittzittzzittzz ii ,...2,1,, 000
0
=−⋅∆+=−⋅∆+=⋅∆+= ττ
,
де tTm ∆= / – кількість відліків на символьному інтервалі, tk ∆= /τ –
кількість відліків на інтервалі затримки τ .
Тоді алгоритм роботи демодулятора запишеться так



≤
>
=
,0,1
,0,0
λ
r
r
>=< τ
zzr ,0
,
де >⋅⋅< , – символ скалярного добутку.
В розгорнутому вигляді, використовуючи введені позначення, величину r
можна записати так:
>++++=< −
ττττ
αα nxxnxxr 2
1
0
0
0
0 )(λ,)(λ)(λ ,
де символи 0λ та 1λ− означають поточний та попередній інформаційні біти
відповідно.
Виконавши множення та врахувавши зміст символів )(λ0α і )(λ 1−α ,
отримаємо
0 0 2 0 2
0 0 2 0
, , , , , ,
, , , ;
r x x x x x n x x x x x n
n x n x n n
τ τ τ τ τ τ τ τ τ
τ τ τ
+ =< > + < ± > + < > + < > + < ± > + < > +
+ < > + < ± > + < >
(2.4)
,,,,,
,,,,,
0200
20200
><+>±<+><+><−
−>±<−><−><+>±<+>=<−
τττττ
τττττττ
nnxnxnnx
xxxxnxxxxxr
(2.5)
де +r означає значення величини r при прийомі “0”, а −r при прийомі “1”.
Позначимо ( )ξ+rf та ( )ξ−rf щільності розподілів випадкових величин +r
та −r . Тоді імовірність помилкового прийому p дорівнює

37. 37
( ) ( )∫∫
+∞
−
∞−
+ +=
0
1
0
0 ξξξξ dfpdfpp rr , (2.6)
де 110 =+ pp і означають імовірність появи в інформаційному повідомленні
«0» або «1».
Якщо розподіли координат векторів x та n у формулах (2.4) і (2.5)
симетричні відносно початку координат, то ( ) ( )ξξ −= +− rr ff і інтеграли в
правій частині формули (2.6) рівні між собою. Тоді формула (2.6) набуває
вигляду
( )∫
∞−
+=
0
ξξ dfp r , (2.7)
тобто за вказаних умов досить дослідити розподіл величини +r .
Надалі будемо вважати, що функції ( )tx та ( )tn є реалізаціями стаціонарних
гауссових випадкових процесів з нульовим математичним сподіванням та
дисперсіями 2
xσ і 2
nσ відповідно, будемо вважати ці процеси також
незалежними і такими, що їх інтервал кореляції менше ніж t∆ . Тоді вектори x
та n являють собою реалізації незалежних m-вимірних нормально
розподілених випадкових величин, компоненти, яких попарно незалежні,
мають нульове математичне сподівання та дисперсії 2
xσ і 2
nσ .
Виходячи з цього, не важко знайти математичне сподівання та дисперсію
величини +r .
Розглянемо скалярний добуток виду >< vu, , де координати векторів u і
v мають нормальний розподіл з нульовим математичним сподіванням та
дисперсіями 2
uσ і 2
vσ , а також задовольняють умовам незалежності.
Тоді, враховуючи властивості математичного сподівання ()⋅M (див. [67]),
маємо для >< vu, :
( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) 000,
1111
=⋅=⋅==





=>< ∑∑∑∑
====
m
i
m
i
ii
m
i
ii
m
i
ii vMuMvuMvuMvuM , (2.8)
і дисперсія