Спосіб передавання інформації в системі багатоканального цифрового лазерного зв’язку

1.Спосіб передавання інформації в системі багатоканального цифрового лазерного зв'язку, що включає створення випромінювання N каналів лазерними хвилями з різними довжинами хвиль, блочне цифрове кодування модулюванням параметрів випромінювання каналів, як у відповідності з сигналом від джерела повідомлень, так і з додатковою інформацією, необхідною для забезпечення захищеності системи від перешкод і шумів, і декодування інформації при обробці випромінювання, що приймається, який відрізняється тим, що N каналів створюють хвилями спектральних компонент N частотного перестроюваного лазера з можливістю експресного синтезу форми (структури) спектра, одну частину сигналу від джерела повідомлень і додаткову інформацію, необхідну для забезпечення захищеності від перешкод, кодують вибором одного із М значень довжини хвилі випромінювання кожного із каналів, перестроюючи їх, а др угу частину сигналу від джерела повідомлень і додаткову інформацію, необхідну для забезпечення захищеності від перешкод, кодують, додатково модулюючи L парних співвідношень різного порядку s,k∆ mn(1≤L≤KN(N-1)/2+(J-1)NK), перестроюючи їх між значеннями s,k ∆mn ≥ s,kδі; s,k∆ mn ≤ s,kδі+1, де s,k ∆mn = kfs(s,k-1∆ m1, s,k- 1∆n1), A (54) СПОСІБ П ЕРЕДАВАННЯ ІНФОРМАЦІЇ В СИСТЕМІ БАГАТОКАНАЛЬНОГО ЦИФРОВОГО ЛАЗЕРНОГО ЗВ'ЯЗКУ 39835 6. Спосіб за п. 4, що відрізняється тим, що інформацію від джерела повідомлень кодують в двох значеннях довжини хвилі кожного із каналів, бінарні сигнали Aj (j=1,......,N), які вміщуються в довжинах хвиль спектральних компонент, кодують додатково в парних співвідношеннях різного порядку і разів, де і - ціла частина відношення K(N-1)/2 (К - кількість параметрів випромінювання каналів, що модулюються), декодуючи прийняту інформацію піддають статистичній обробці поканально у відповідності до параметричних послідовних двопорогових алгоритмів, використовуючи для побудови вибірки на першому кроці сигнал, що закладений у довжині хвилі спектральної компоненти; якщо сигнал не розрізняється і значення функції правдоподібності, побудованої за цими даними, знаходиться в зоні невизначеності (між двома порогами), то аналіз продовжується і розмірність вибірки підвищується до 2 при використанні попереднього сигналу і його дублюючого значення в парному співвідношенні найнижчого порядку, якщо аналіз необхідно продовжити, то розмірність вибірки підвищується за рахунок підключення дублюючих значень сигналу, закладених в парних співвідношеннях більш високих порядків, максимально до j+1. Запропонований винахід відноситься до квантової електроніки, зокрема, до способів передавання інформації в системах, які використовують лазерне випромінювання як носій сигналу, що передається, і може застосовуватися в багатоканальних лазерних системах зв'язку, а також системах дистанційного і телеметричного керування. Відомий спосіб передавання інформації в системі лазерного зв'язку, в якому багатоканальне випромінювання створюється розділенням лазерного пучка на N пучків [1]. Для того, щоб в подальшому ці пучки розрізняти, поляризація кожного наступного каналу робиться відмінною від попереднього на деяку фіксовану величину. Амплітуда випромінювання кожного із каналів модулюється цифровим методом (блочним чи бінарним) у відповідності як з інформацією, що надходить від джерела повідомлень, так і з додатковою інформацією, необхідною для забезпечення захищеності від перешкод і шумів. Потім випромінювання каналів об'єднується і передається. Недоліком такого способу є невисока швидкість передавання інформації та низький ККД. За прототип взято спосіб передавання інформації в системі багатоканального цифрового лазерного зв'язку, в якому відповідне випромінювання створюється об'єднанням пучків від різних лазерів, що працюють на різних довжинах хвиль, значення яких можна перестроювати [2]. Інформація від джерела повідомлень і додаткова інформація, яка необхідна для забезпечення шумозахищеності, кодується в кожному каналі при маніпуляції частоти цифровим блочним методом, окремим випадком якого є бінарний метод. До недоліків цього способу відноситься невисока швидкість передачі інформації, пов'язана з неможливістю використання для передачі інформації всіх ступенів свободи випромінювання. Зокрема, через велику нестабільність інтенсивності різних лазерів ефективною буде тільки така амплітудна маніпуляція, при якій одиниця кодується наявністю імпульсу, а нуль його відсутністю. Такий спосіб модуляції несумісний з частотною маніпуляцією (при передачі нуля в амплітуді відсутністю сигналу частотна маніпуляція неможлива). Ще одним недоліком є зниження ККД, зумовлене втратами випромінювання при об'єднанні каналів. Задачею, на вирішення якої спрямований винахід, є розробка способу швидкісної і ефективної передачі інформації в системі багатоканального лазерного зв'язку з надійною захищеністю від перешкод. Розроблений для вирішення поставленої задачі спосіб дозволяє одержати технічний результат, який полягає у підвищенні швидкості передачі інформації при збереженні рівня захищеності від перешкод, а також у підвищенні ККД. Суть запропонованого технічного рішення полягає в тому, що у відомому способі передавання інформації в системі багатоканального цифрового лазерного зв'язку, що включає створення випромінювання N каналів лазерними хвилями з різними довжинами хвиль, блочне цифрове кодування модулюванням параметрів випромінювання каналів, як у відповідності з сигналом від джерела повідомлень, так і з додатковою інформацією, необхідною для забезпечення захищеності системи від перешкод і шумів, і декодування інформації при обробці випромінювання, що приймається, відповідно до винаходу, N каналів створюють хвилями спектральних компонент N частотного перестроюваного лазера з можливістю експресного синтезу форми (структури) спектра; одну частин у сигналу від джерела повідомлень і додаткову інформацію, необхідну для забезпечення захищеності від перешкод кодують вибором одного із М значень довжини хвилі випромінювання кожного із каналів, перестроюючи їх, а другу частин у сигналу від джерела повідомлень і додаткову інформацію, необхідну для забезпечення захищеності від перешкод, кодують, додатково модулюючи L парних співвідношень різного порядку s,k ∆mn(1≤L≤KN(N-1)/2+(J-1)NK), перестроюючи їх між значеннями s,k ∆mn ≥ s,kδі; s,k∆ mn ≤ s,kδі+1, де s,k ∆mn = kfs(s,k-1∆ m1, s,k- 1∆n1), s,1 ∆ mn = 1 fs(sI m, s In) m, n, 1 = 1,.....N; i=1,....,J; k≥2, a sIj (j=1,.....,N) - значення параметрів випромінювання різних каналів, що додатково модулюються (s - номер, що позначає тип параметра випромінювання каналів, що додатково модулюється, а k - їх кількість); і≥1, якщо k=1, та і=1, якщо k≥2; s,kδі - порогові значення співвідношень; kfs - функції, що відображають двомірну множину на одномірну, декодують інформацію, обробляючи випромінювання, що приймається, у такій послідовності: на першому кроці аналізують інформацію, вміщену (зашифровану) в дов 2 39835 жинах хвиль каналів, на другому і наступних кроках - інформацію, вміщену в парних співвідношеннях s,1∆mn при k=1, потім при k=2, k=3 і так далі, перевіряючи бінарні співвідношення s,k ∆mn ≥ s,kγі; s,k∆ mn ≤ s,kγі+1, s,k s,k де γі, γі+1 - порогові значення. Крім того, запропонований спосіб відрізняється тим, що параметром випромінювання каналів, який додатково модулюється, є їх інтенсивності l lj (j=1,......,N). Крім того, запропонований спосіб відрізняється тим, що і=1 для всіх k, а функції kfI мають вигляд при k=1 I,1 ∆ mn = I Im/ II n, Запропонований спосіб відрізняється також тим, що і=1 для всіх k, a функції kfs мають вигляд при k=1 s,1 ∆ mn = sI m - s In , а при k≥2 s,k ∆mn = s ,k-1∆ m1S - s,k-1 ∆n1 , де S=1, якщо знаки парних співвідношень s,k-1∆ m1, s,k-1 ∆n1 однакові і S=-1 - якщо знаки різні; перестроюють співвідношення між двома значеннями s,k ∆mn ≥ s,kδ1 ; s,k∆mn ≤ s,kδ 2, причому порогові значення вибирають із умов s,k δ1>0, s,kδ20, s ,kγ21 - блочне. На наступному кроці цієї операції змінюються значення цих параметрів sIm таким чином, щоб умови (1) зберігались, а функції 2fs відображення різних пар співвідношень першого порядку s,1 ∆m1, s ,1∆ n1 на одномірну множину (співвідношення другого порядку) s,2 ∆ mn = 2 fs(s,1 ∆m1, s ,1∆ n1) відповідали бінарним пороговим умовам, в яких кодуються відповідні сигнали, s,2 ∆ mn ≥ s ,2δ1 ; s,2∆ mn ≤ s,2δ2 (2) На наступному кроці змінюються значення цих параметрів каналів таким чином, щоб зберігались співвідношення (1, 2) і формувались необхідні значення співвідношень третього порядку і так далі. Функції kfs можуть бути різними на кожному кроці, чи однаковими. Наприклад, на першому кроці це може бути відношення значень додатково модулюємих параметрів каналів, їх звичайна різниця, різниця за модулем тощо. Випадок при виборі однакових різницевих функцій розглянуто в прикладі 1. Далі таким чином промодульоване випромінювання лазера 1 спрямовують в тракт поширення, де воно може затуха ти і піддаватися дії заважаючих факторів, котрі характеризуються адитивним (фоновим випромінюванням) і мультиплікативними (турбулентністю атмосфери) шумами. В багатоканальному приймачі 5 випромінювання спочатку розділяють за частотними каналами, а потім випромінювання кожного із каналів спрямовують на свій (свої) приймач (приймачі). Операції обробки інформації, що вміщується в прийнятому сигналі, здійснюються у такій послідовності. Спочатку декодуються сигнали в дешифраторі 6, закодовані в основній цифровій маніпуляції довжини хвилі каналів. Потім в дешифраторі 7 декодується інформація, вміщена в парних ступенях свободи, пов'язаних з взаємними співвідношеннями додатково маніпульованих параметрів sIj (j 1,......,К), де s - індекс, який позначає тип параметра. Операція декодування здійснюється в декілька кроків. Першим кроком є декодування інформації з співвідношень першого порядку. Спочатку визначається канал, який є початком відліку для їх обчислення (цей канал може визначатися за попередньою домовленістю, чи обиратися при кодуванні довільно з наступним передаванням його номера в додатковій інформації тощо). Не хай для визначеності це буде перший канал. В дешифраторі 7 перевіряються такі прості нерівності s,1 γі ≤ s,1 ∆m1 = 1fs(s Im, sI n); s,1 ∆ m1 ≤ s ,1 γі+1; 4 39835 де s,kγі, s,kγі+1 - пороги, конкретні значення яких визначаються відповідними порогами, обраними при кодуванні, рівнем шум у в системі зв'язку та можливостями апаратури, що використовується в системі зв'язку. Наступним кроком є декодування парних співвідношень другого порядку у де шифраторі 7 перевіркою наступних бінарних співвідношень s,2 γ1 ≤ s ,2∆ mn = 2fs(s,1∆ m1, s,1 ∆n1); використали варіант, коли по цих ступенях свободи передається тільки додаткова інформація, яка також складається із бінарних сигналів, тобто нулів і одиниць. На фіг. 2 показано спектри лазера, які ілюструють операції здійснення бінарної модуляції різниць. За опорний вибирався перший канал (перша спектральна компонента). Операція кодування розбивалась на такі підоперації. Перша - полягає в установці однакових різниць першого порядку (див. фіг. 2а). Величина цих різниць за модулем вибиралась рівною G I1 , де G було 0,5 (50%) від значення інтенсивності випромінювання першого каналу (вибір G може бути довільним, однак його значення повинно перевищувати порогові значення I,1δ1, I,1δ2, у нашому випадку вони складали 3%). Таким чином кодують три додаткових ступеня свободи I,1∆m1 = II m - I I1, де m = 2, 3, 4. Знак різниць відповідає передачі певної бінарної цифри (одиниця, якщо різниця додатна, і нуль, коли різниця від'ємна). На фіг. 2а зображено випадок, коли в I,1 ∆ 21 передають нуль, в I,1∆ 31 I,1 ∆41 - одиницю. Наступна підоперація - кодування двох різниць другого порядку I,2∆ 24 = I,1∆ 21S - I,1∆41, I,2 ∆ 34 = I,1 ∆31S - I,1∆ 41. Знак S вибирають додатнім, якщо різниці першого порядку, що входять в різницю другого порядку, мають однакові знаки, інакше вибирають від'ємний знак. Кодування здійснюють так: одну із різниць залишають без змін (I,1∆41), а іншу зменшують або збільшують на G/2 I1 в залежності від необхідного знака різниці другого порядку. Це забезпечують зміною інтенсивності відповідного каналу на цю величину (див. фіг. 2б, де в I,2 ∆ 24 передають нуль, а в I,2∆ 34 - одиницю). І остання підоперація - встановлення величини і знаку різниці третього порядку I,3 ∆ 23 = I,2∆ 24S - I,2∆34. Її величину обирають рівною G/4 I1 , а знак S також, як і в попередньому випадку. Технічно цю підоперацію здійснюють додатковою зміною однієї з інтенсивностей другого каналу на величину G/4 I 1 (див. фіг. 2в, де в I,3∆ 23 передають одиницю). Здійснення вибору типу додаткової інформації і операцій декодування залежить від організації системи зв'язку. Два приклади приведені нижче. Приклад 2. Організація системи зв'язку була як і в попередньому випадку (4 каналу, додатково маніпульованими параметрами є співвідношення інтенсивностей каналів), однак тип додаткової інформації вибирався таким чином, щоб у випадку появи одноразової помилки в сигналі, закодованому в основному повідомленні (в довжинах хвиль каналів), вона виправлялась. В звичайних системах використовують коректуючи коди Хемінга з мінімальною кількістю додаткових ступенів свободи, котрі передаються в додаткових каналах. Оскільки в нашому випадку кількість додаткових ступенів свободи перевищує кількість основних, то ми вибрали просто принцип резервування: сигнал Aj від джерела повідомлень 2, закодований в довжині хвилі j каналу лазера 1, одночасно кодується в різницях інтенсивностей першого порядку і одній різниці другого порядку таким чином, щоб відповідна різниця не залежала від інтенсивності j каналу Ij. Для цього ми використовували такий закон кодування: A2 кодується в різниці першого порядку I,1 ∆ 31 = I I3 - II1 ; А3 в I,1∆ 41 ; А4 в I,1∆ 21 ; А1 в I,2∆ mn= I,1 ∆m1 s,2 ∆ mn ≤ s ,2 γ2 . Кроки операції продовжуються до вичерпування всіх варіантів, загальна кількість яких для кожного додатково маніпульованого параметра дорівнює N(N-1)/2+(J-1)N. Заключними операціями є операції аналізу додаткової інформації, необхідної для забезпечення шумозахищеності системи зв'язку, котрі здійснюються в пристрої 8, Ця інформація може бути направлена на вирішення двох задач: 1) виправлення помилок, які виникають при поширенні сигналу, або через збої в апаратурі, найчастіше одноразові (у нашому випадку це повне зникнення однієї із спектральних компонент); 2) побудова вибірки, а по ній співвідношення правдоподібності, котрі дозволяють прийняти автоматичне рішення про наявність або відсутність сигналу шляхом порівняння з пороговими значеннями (статистичної обробки сигналу за одним із алгоритмів такого оцінювання [4]). У нашому випадку однією із достатніх форм додаткової інформації є повторне кодування сигналів від джерела повідомлень в пристрої 3 і в модуляторі 4 в співвідношеннях характеристик різних каналів лазерного джерела 1. Два варіанта операцій для вирішення цих двох задач викладені в прикладах 2, 3. Підкреслимо, що найбільш доцільним (хоча й не обов'язковим) є встановлення ієрархії для використання всіх наявних ступенів свободи. Так доцільно використовувати основні частотні канали для передавання повідомлень від джерела повідомлень, а додаткові ступені свободи - додаткової інформації, необхідної для забезпечення шумозахищеності. Приклад 1. В системі зв'язку використовували електронно-перестроюваний багаточастотний лазер 1, в якому збуджували чотири спектральні компоненти, які відповідали передачі інформації по чотирьох каналах. Було обрано бінарне кодування інформації в довжинах хвиль (М=2) при однакових різницевих функціях відображення на всіх кроках з J=1. Тому першою операцією було кодування бінарної інформації від джерела повідомлень шляхом вибору одного з двох фіксованих значень довжини хвилі в кожному із 4 каналів. Таким чином може передаватися 24 різних сигналів в одному імпульсі, що цілком достатньо для багатьох систем спеціального зв'язку. Як додатково маніпульовані параметри використовувались інтенсивності спектральних компонент IIj (j=1,....,4) і породжені ними різниці I,k ∆mn = I,k-1 ∆m1S - I,k-1∆ n1; I,1 ∆ m1 = I Im - I I1. Цими каналами може передаватися друга частина сигналів, що надходять від джерела повідомлень, і додаткова інформація, необхідна для забезпечення шумозахищеності системи зв'язку. Ми 5 39835 -I,1∆ n1 = II m - II n різниці другого порядку, яка утворюється різницями першого порядку, котрі мають однакові знаки. У цьому випадку S=1 і різниця другого порядку не залежить від інтенсивності випромінювання першого каналу. Пристрій 3 здійснює цю операцію автоматично. Він перевіряє спочатку чи є в сигналах Aj для j=2, 3, 4 дві одиниці. Якщо це виконується, то вибираються дві кінцеві різниці першого порядку I,1∆m1, I,1∆ n1, які відповідають цим сигналам з найближчими від кінця (від N) числами m>n. Якщо двох додатних різниць (двох одиниць) немає, то аналогічним чином вибираються дві від'ємні різниці першого порядку (два нуля). Закодовану таким чином в пристрої 3 інформацію передають в модулятор 4, який формує в лазері 1 спектр імпульсу із чотирьох спектральних компонент, положення яких за довжиною хвилі і різниці їх інтенсивностей відповідають сигналам Aj для j=1, 2, 3, 4. Випромінювання імпульсу лазера потрапляє в приймач 5, де воно розділяється по чотирьох каналах. Спочатку в дешифраторі 6 декодується інформація, що вміщена в довжинах хвиль каналів. Потім в дешифраторі 7 аналізується інформація, вміщена в різницях інтенсивностей. Спочатку вимірюються різниці інтенсивностей відносно інтенсивності першого каналу. Потім визначаються знаки різниць. Якщо є щонайменше дві додатні різниці, то складається різниця другого порядку I,2∆ mn з найближчими від кінця (від N) числами m>n. Якщо двох додатних різниць немає, то таким же чином вибираються дві від'ємні різниці і відновлюється сигнал першого каналу. В процесі передачі, поширення, а також при прийомі і обробці можлива поява помилок (зникнення однієї із спектральних компонент або поява заважаючого фонового випромінювання, яке перевищує спектральну компоненту). Якщо є одна помилка, то повідомлення, що передається, відновлюється в блоці 8 із резервного сигналу. У випадку відсутності помилки або наявності одноразової помилки блок 8 генерує допоміжний сигнал нуля, котрий модулює випромінювання передавача зворотного зв'язку 9. Сигнал передавача приймається приймачем 10 і надходить у блок 3. При наявності такого сигналу блок 3 переходить до кодування наступного повідомлення. У випадку, коли помилок більше ніж одна, блок 8 генерує допоміжний сигнал одиниці, котрий генерує випромінювання передавача зворотного зв'язку 9. Сигнал передавача, прийнятий приймачем 10 надходить у блок 3. Цей блок переходить до повторного кодування попереднього повідомлення. Однак у цьому випадку змінюється номер опорного каналу за відомим, встановленим раніше правилом. Приклад 3. У системі зв'язку для забезпечення необхідного рівня захищеності від шуму було використано алгоритм послідовного параметричного виявлення. У цьому випадку використовується вибірка сигналів змінного розміру, починаючи з одиниці. За виборкою будується співвідношення правдоподібності 1 і виконується його двопорогова перевірка (пороги μ1, μ2 визначаються відомим способом із врахуванням специфіки шумів, приймача, передавача і типу модуляції). Якщо відношення правдоподібності 1 μ2, то це відповідає критерію прийняття сигналу. Якщо відношення правдоподібності знаходиться в зоні невизначеності μ1