Comments 113
А это не CDMA описан? В общих чертах весьма похоже. Поэтому, опрос не совсем понятен.
Описан DSSS, на котором и работает CDMA. И мне скромно кажется, что в реальных системах проблемы вида
Во-первых, это необходимость строгой синхронизации часов у передающей и принимающей стороны.
Во-вторых, необходимо знать с достаточно хорошей точностью расстояние между передатчиком и приёмником.
являются фатальными.
А мне кажется, что это решается достаточной вычислительной мощностью приемника. По крайней мере для случая, когда скорость передатчика относительно приемника не меняется достаточно сильно, а это " достаточно сильное" изменение скорее всего возникает только у некоторых видов военной техники
Решается, самой яркой иллюстрацией к этому является работоспособность CDMA.
Проблема в том, что конкретно в этой статье о методах такого решения вообще ни слова не написано. Хотя они несомненно существуют.
GPS использует аналогичную схему передачи данных, и там эта проблема решается вполне успешно (разумеется, только после того, как приёмник осуществил первоначальный "захват" сигнала).
Нет. Похоже, но в CDMA (DSSS) нет накопления сигнала.
Интересный способ. Но возникает вопрос:
Во-первых, это необходимость строгой синхронизации часов у передающей и принимающей стороны.
А нельзя ли обойтись без синхронизации часов, просто перебирая все возможные значения времени начала "информационного импульса"? Допустим, что один "информационный импульс" длится 2000 миллисекунд. Мы записываем эфир. Затем предполагаем, что импульс начинается с начала записи и пробуем декодировать. Не получилось — предполагаем, что импульс начинается с +1 миллисекунды от начала, снова пробуем декодировать. Не получилось — пробуем начать с +2 миллисекунд. И так перебираем все смещения до +2000 миллисекунд.
Такой алгоритм не позволит ли отказаться от часов?
И, конечно, хорошо бы указывать источник. Вы сами изобрели алгоритм или где-то "подсмотрели"?
Фактически так это и происходит (я не говорю про все системы работающие на CDMA). Посмотрите на пример GPS - он как раз перебирает все возможные комбинации (что и является одной из причин очень долгого холодного старта).
Спасибо. Я думал об этом, но забыл. Добавлю в статью. Минус такого алгоритма в том, что если сеансы связи редки, а часы не используются, потребуется много лишних вычислений. Если добавить худо-бедно синхронизированные часы, такой алгоритм практичен.
Способ сам придумал.
А нельзя ли обойтись без синхронизации часов, просто перебирая все возможные значения времени начала «информационного импульса»?Обойтись можно, просто производя корреляцию полученного сигнала с кодовой последовательностью. Я сейчас проверил — прекрасно работает и без всяких ЛЧМ. И всяко быстрее будет перебора всех вариантов, потому что корреляцию можно делать через FFT.
Как выше уже указали, описана вариация CDMA/DSSS. В классическом CDMA информация о времени извлекается из полезного сигнала, что делает первые три пункта неактуальными. Я кстати тоже заметку про это тут писал, но ссылку на свою публикацию не оставлю, это дурной тон :3
Нет. В CDMA/DSSS происходит свертка/развертка информационного сигнала с кодовой последовательностью, без суммирования отдельных импульсов.
Так то что описано в статье - свертка и есть. Свертка - это сумма произведений принятого сигнала и эталонного по определенному кол-ву отсчетов (в данном случае - 200 штук), эталонный сигнал представлен в виде последовательности импульсов с значениями +1 и -1, то что мы берем входной сигнал со знаком + или - и складываем - и есть умножение на эталон и суммирование, т.е. свертка.
Так что это все же разновидность DSSS описана.
LoRa.
Additive Pulse Modulation - первый раз слышу. Модуляция шума битами - из ряда вон выходящее :). Честно, не понятно чем вызвана данная публикация.
Это частный случай свёртки с известной фильтрующей функцией, насколько я понял. Набор ортогональных функций будет работать лучше.
Да бог его знает... С нашим уровнем образования всё возможно...
Там ведь важна не только АКФ, но и ВКФ, и получающийся объем всего ансамбля. АКФ будет определять качество синхронизации, а ВКФ - уровень междуканальных помех. Конечно, ВКФ и АКФ влияют одновременно, и отделять их не совсем корректно. Если пользоваться генератором случайных чисел, то периодически будут возникать разного рода глюки, вызванные сужением спектра формируемого сигнала (ведь длинные серии 0 или 1 также принадлежат ансамблю генератора случайных чисел). Сужение спектра является по сути изнанкой разрушения корреляционных свойств.
Если в общем, то для многоканальных систем оптимальным (по критерию максимального количества обслуживаемых абонентов при заданном уровне ошибок) будет ансамбль почти ортогональных последовательностей, которые необходимо готовить (проектировать) заранее. Это последовательности Голда, Касами и некоторые другие; базовой при этом является псевдо-случайная последовательность (М-последовательность).
Ну поменяем частоту на псевдочастоту, а ширину канала на псевдоширину. Сильно ничего не изменится. А точнее все зависит от типа шума и помех в канале. То есть согласен с Вами
Временную корреляцию сигнала в пределах длительности импульса обнаружить не получится, т. к. импульс псевдослучаен во времени. Корреляцию между многими такими импульсами выявить практически затруднительно, т. к. уровень полезного сигнала может быть существенно ниже уровня шума.
Самое сильное искажение вызывает аддитивный белый гауссовский шум (АБГШ), но и способ борьбы с ним самый простой - корреляционный приемник (или согласованный фильтр). Все, чего можно достичь, это отношение сигнал-шум после обработки q2 = 2E/N0, где E - энергия импульса на входе приемника, N0 - уровень шума (Вт/Гц). АБГШ определяется качеством приемника и условиями его работы.
Однако в реальности присутствует еще и мультипликативная помеха, вызванная каналом распространения сигнала, и самое сложное здесь - зависимость таких искажений от времени (нестационарность канала; чаще это радиоканал с мобильными клиентами).
Описанный способ позволяет избавиться от любого вида помех. Единственное, что может забить информационный сигнал- это схожие по форме псевдослучайные шумовые импульсы. Вероятность появления таких (генерации потановщиком помех, без знания ключа) весьма мала.
Если помеха ортогональна опорному сигналу, то да. Надеюсь, коррелятор там всё таки есть в том или ином виде. Вообще, система передачи информации в комплексе является довольно таки сложной конструкцией, допускающей разные реализации, и ценным является связывание текущей реализации с базовыми известными алгоритмами.
В-четвертых, это упомянутые ограничения по мощности передатчика и чувствительности приёмника. Они актуальны для всех технологий связи. Если амплитуда пичков информационных импульсов в месте приёма будет ниже порога чувствительности приёмника (определяемой видом антенны, качеством приемного тракта), складывать будет попросту нечего.
Ну это неправда. Если шум сопоставим с порогом чувствительности, то складывать как раз будет что: шум с наложенным сигналом. А далее смотри тему про dithering и как он помогает обнаруживать "долгоиграющие" сигналы с амплитудой менее одного LSB - как раз наш случай.
Вы описали техпроцесс сейсморазведки. Ваши ограничения тут уже учтены:
1) время действительно синхронизировано, с точностью до микросекунды (если необходимо)
2) положение источника/приемника известны с достаточной точностью.
3) как раз задача, которую нужно решить - нужно понять какие условия среды изменили сигнал именно так, как его зафиксировал приемник (импульс источника известен)
4) без этого никуда, верно.
PS способ рабочий, проверено)
По сути статья по псевдо-шумовым сигналам. У меня диплом был по ним в 2003 году. А в радиолокации псевдо-шумовые сигналы применяются с 1968 года. В современном мире это вылезло в виде CDMA.
Перечитал ещё раз - это коррелятор. Фактически когерентное накопление. Синхронизация да, специфическая.
Как бы сказал мой научрук (или вообще любой рецензент): Статье остро не хватает сравнения эффективности с известными методами кодирования (хоть тем же CDMA). А так конечно метод интересный.
Пост на Хабре - это не научная статья :)
Жанр этого поста можно назвать научно-техническим эссе. В нем не обязателен обзор литературы по теме или сравнения с прототипами. Кому нужно, берите на заметку и пишите научные работы по всем канонам.
Сравнивать трудно из-за сложности реальных систем... А по теории там коррелятор + АБГШ и результат ожидаем: ОСШ = 2E/N0. Цель статьи, как я понял, опубликовать саму идею и посмотреть на реакцию публики.
А то что у автора на практике вряд ли будет работать.
Недостатком гармонических сигналов (ЛЧМ, в частности) является то, что их можно подавить гармоническими помехами в рабочей полосе частот. Псевдослучайные импульсы без знания ключа подавить не получится.
При широкополосном подавлении вообще неважно, как именно были распределены фазы у подавленных частот.
Ну так в том и прикол, что для подавления "хорошего" шумоподобного сигнала требуются неразумно большие мощности (которые, например, в самолёт или грузовик не засунешь). Можно принимать при шум/сигнал больше 10-20дБ (правда - медленно).
Это ещё не считая того, что в реальных условиях существует не только аддитивный шум, но и многократные копии вашего же сигнала, задержанные во времени и со сдвинутыми фазами — «эхо» называется, от которого эта псевдослучайность никак не спасёт.
Ну это ещё надо суметь реализовать. Разве что писать и затем воспроизводить весь шум с сигналом вместе (естественное эхо вполне фильтруется). Тут ведь ещё есть проблема вообще обнаружить факт передачи. Т.е. передающей стороне выгодно включить свою "глушилку", чтобы замаскировать передачу. Ну а когда ещё включается игра "динамическая смена кодировок" - полное веселье начинается.
Псевдослучайные сигналы шумоподобны. Их спектры также. Понятия частоты и фазы к ним можно отнести с натяжкой. Любой вид помех, если он не коррелирует с псевдослучайной последовательностью пичков в импульсе, будет сокращен за счет многократных сложений и вычитаний его участков, выбранных по псевдослучайному ключу.
Эхо может влиять. Но его уровень меньше, чем у основного сигнала, и приходит оно в непредсказуемые моменты времени. Это в совокупности нивелирует суммы пичков от эховых импульсов относительно основной суммы пичков. Проблема решается выбором оптимального числа пичков и подходящей величины отсечки.
Мат. аппарат при анализе физических явлений нужно применять разумно. Преобразование Фурье имеет смысл делать, когда из сигнала можно выделить гармонические составляющие. Для мат. абстракции в виде "белого шума" амплитуды "примерно одинаковые" (если присмотреться - видна случайность). Для реального шума же спектр также подобен шуму. При расчетах я на всякий случай построил преобразования Фурье для гауссова шума и шума с инф. импульсом. Можете глянуть.
Нет. Полагаю, что по спектру ЛЧМ отличить от "белого шума" сложно. От реального можно.
Пост не о ЛЧМ. Особенности его спектра вам лучше знать.
Помимо ЛЧМ есть ряд других помехоустойчивых технологий связи. Пост о конкретном способе. Общее описание, без ссылок на литературу и разбора прототипов.
ЛЧМ сигнал, как и другие виды гармонических сигналов можно подавить широкополосной помехой. Сигнал с аддитивной импульсной модуляцией (можно так назвать способ) подавить без знания ключа практически невозможно. При увеличении уровня помех можно увеличить количество информационных пичков, имея в запасе несколько ключей.
Нашёл инфу по особенностям подавления ЛЧМ-сигналов:
"Для радиоэлектронного подавления РЛС с ЛЧМ могут применяться активные маскирующие или имитирующие радиопомехи.
В качестве маскирующих используются непрерывные шумовые радиопомехи. Для этого вида помехового сигнала характерно то, что изменения его мгновенной частоты происходят по случайному закону. Вследствие этого мощность помехового сигнала при прохождении через дисперсионную линию задержки не изменяется. А так как мощность полезного сигнала увеличивается в В раз, то коэффициент подавления РЛС с ЛЧМ - сигналами при использовании непрерывных шумовых помех в В раз больше, чем при подавлении импульсных РЛС с простыми сигналами (при равенстве импульсных мощностей передатчиков РЛС).
Имитирующие радиопомехи могут создаваться путем ретрансляции (переизлучения) сигналов РЛС с задержкой по времени, либо путем смещения частоты несущей, либо путем дополнительной модуляции сигналов по амплитуде или частоте."
Ни маскирующие, ни имитирующие помехи способу аддитивной модуляции не страшны. Маскирующие сократятся, а для постановки имитирующих нужно знать ключ.
Дело в том, что есть амплитудный спектр, а есть - фазовый, и при обнаружении ЛЧМ на фоне шума играет роль именно фазовый. У ЛЧМ сигнала спектр детерминирован; для измерения шума используется квадрат амплитудного спектра (т.е. спектр мощности).
ЛЧМ сигнал является сложным сигналом, т.е. сигналом с большой базой, когда ширина спектра несоразмерна длительности сигнала-импульса. В описанном в статье способе используется сложный сигнал, правда как можно доверять генератору randint я не понимаю: все-таки возможно ослабление волшебных свойств (много 1 или 0).
При существенном удалении от передатчика любой узкополосный сигнал потонет в шуме. Кроме того, такой сигнал легко подавить.
Вот подавить такой узкополосный сигнал легко — это да, поэтому в системах где это важно помимо узкополосности используется еще и псевдослучайная перестройка по частоте полностью устраняющая этот недостаток.
В обоих случаях правда принципиально обыгрывается зависимость плотности шума от частоты. Если плотность равномерная то расширение спектра и DSSS могут давать тот же результат более простыми усилиями, по крайней мере пока система не упирается в шум самого приемника. Но в реальных системах спектральная плотность шума обычно не равномерная.
Есть алгоритмы подавления гармонических сигналов с псевдослучайной перестройкой частоты. Несущая частота всегда уязвима.
Есть, например, способ подавления с помощью интермодуляционных составляющих. Разработки эффективных средств РЭП активно ведутся.
Описана работа PRN-кода, которому в GPS уже как 40+ лет в обед, а в системах радиогеодезии 50+ лет (н-р системы Syledis или HyperFix). С последними 99.999% хабровчан не то что не работали, но вряд ли даже слышали (вся литература и схемы возможно остались где-то в бумажном варианте в архивах), а вот про работу GPS-кореллятора очень многие в курсе (Multiply-Accumulate-and-Dump). Причем есть SDR-GPS и полностью софтовые GPS с открытым кодом - изучай не хочу.
Вообще система Accumulate-and-Drop в случае с GPS нужна для определения сдвига фазы PRN-кода на доли чипа (ширина одного пульса PRN-последовательности). Для передачи и декодирования подобная сверхточная синхронизация не нужна, можно просто делать непрерывную свёртку и отслеживать положительные-отрицательные пики. Для этого только нужен буфер на длину PRN-послежовательности(ей).
PS: хорошо бы заменить на что-то уменьшительно-ласкательный термин "пички"
Гуглим, читаем:
Syledis (SYstem LEger pour mesure la DIStance) was a terrestrial radio navigation and locating system. The system operated in the UHF segment of 420-450 MHz.
HyperFix was a radio-navigation system developed by Racal. Was used by vessels and ships. Has largely been phased out in favor of Differential GPS. Frequency Range1.6 MHz - 3.4 MHz.
Описанный способ не использует гармонические сигналы. Если знаете подобный - потрудитесь дать релевантную ссылку.
Эдакий прото-DSSS
Нет, способ принципиально иной. Читайте внимательно.
Почитайте о том, что такое "несущая частота" и почему она необходима в методах расширения спектра. В моём способе её нет, не говоря о том, что обработка входного сигнала происходит вообще иначе. Судить о чем-то по беглому взгляду непрофессионально.
Нет. Передавать пички по радиоканалу можно в виде одинаковых волновых пакетов (цугов), следующих друг за другом согласно псевдослучайной последовательности. Никакой свертки в способе нет
Вы не понимаете физическую основу метода DSSS. Параметрами ПСП определяется ширина спектра сигнала, модулирующего опорную частоту.
Свертка в вашем методе берется «в одной точке», но это все равно свертка, причем в реальных реализациях обычно все равно считают свертку во всех точках потому как это упрощает синхронизацию а в DSSS это еще и банально одна из простейших аппаратных реализаций.
В DSSS опорная частота может быть равной нулю. Опорная частота — это вообще не более чем способ «подвинуть» сигнал в частотный диапазон где он а) не будет конфликтовать с другими сигналами и б) будет эффективно передаваться через радиотракты.
Цуги могут включать в себя несколько гармоник э/м волн. Суть в том, что это всплески в радиоэфире (пички сложной формы), разделенные во времени и пространстве.
Простое сложение участков сигнала для выделения бита информации - это не свертка.
Не слышал о таком. Похоже на математическую абстракцию.
Свертка — это сложение участков сигнала умножаемых на некоторые коэффициенты. В вашем случае коэффициенты состоят только из нулей и единиц, но это все равно остается частным случаем свертки.
Это не математическая абстракция, это основы теории обработки сигналов. Из практических реализаций «абстракции» можете посмотреть на гетеродинные приемники которые используют прием с переносом несущей частоты чтобы перетащить ее в удобный для обработки диапазон.
В моём способе сложение происходит только самих пичков, промежутки сигнала между ними не участвуют в обработке. Никакого умножения нет. Просто сложение значений шума с амплитудами пичков во временной области пичков.
Не слышал, чтобы гетеродинные приёмники работали на "нулевой" опорной частоте.
Гетеродинные приемники я привел как сам принцип того как один и тот же сигнал просто перемещается по частоте для удобства обработки. Но гетеродины с переносом на нулевую частоту тоже существуют, это т.н. радиоприемники прямого преобразования.
Зачем? Мне для описания способа свертка не нужна. При аппаратной реализации без неё также можно обойтись.
Приведите, пожалуйста, источник, где сказано что у DSSS - приемника может быть нулевая несущая частота.
Несущая частота гетеродина радиоприёмника прямого преобразования равна частоте сигнала, а не нулю.
DSSS приемник с нулевой несущей частотой не имеет практического смысла но никакого запрета на это нет. Собственно «расширяется» там не несущая частота (carrier frequency) а частота данных (symbol rate). Никакой привязки к carrier frequency в DSSS нет.
Понимание того что вы работаете с частным случаем свертки поможет вам понять что то что вы предлагаете — это частный случай широко известного метода.
ПЧ в радиоприёмнике - это не несущая, о которой была речь.
Я с вами не согласен. Источник, где упоминается DSSS без несущей, вы не привели. DSSS, дословно "метод прямой последовательности для расширения спектра" - метод из области телекоммуникаций, где обычно используются гармонические информационные сигналы.
Расширение спектра указано в том же смысле, что и у других методов расширения спектра. Используется для улучшения помехозащищенности сигнала.
Общая идея накопления полезного сигнала с компенсацией шума схожа с моим способом. Вероятно (без ПСП), она была известна в математике задолго до появления телекоммуникаций. Принцип передачи сигнала по моему способу же иной.
Зачем? Мне для описания способа свертка не нужна. При аппаратной реализации без неё также можно обойтись.Вычислительная сложность свёртки через FFT — O(n·log(n)). Вычислительная сложность вашего способа — O(n). Не такая уж и большая экономия с учётом того, что в вашем способе требуется не только синхронизация абсолютного времени и времени пути достижения сигнала, но и увеличения ширины одного «пичка» до длительности эхо-сигнала, которое просто в обычном помещении может достигать нескольких секунд, а передатчик с приёмником должны при этом излучать и получать сверх-низкие частоты, для чего потребуется антенна довольно внушительных размеров.
При обработке сигнала по моему способу свертку также можно делать, но необязательно.
Если речь об акустической реализации, то она имеет смысл для больших расстояний с достаточно однородной средой передачи.
Технические аспекты возможных реализаций я не исследовал.
Фильтр в описанном способе не рассматривается. Только общее описание.
Фильтрация шума уже реализована при сложении участков сигнала по ПСП. Не уверен в необходимости доп. фильтра.
То есть ПСП определяет фазу (разность фаз) волновых пакетов? Или амплитуду?
Временные задержки между ними. Инф. импульс - череда пакетов.
А, так это размазывание кодом по времени, то есть своего рода инверсия DSSS.
А как учитывается знак? Это ведь фаза.
«Длина задержки» у него — это количество нулей между последовательными единицами
Способ передачи информации по сильно зашумленному каналу связи