Применение устройства некогерентной демодуляции "в целом" фазоманипулированных сигналов в радиосистемах управления

ПРИМЕНЕНИЕ УСТРОЙСТВА НЕКОГЕРЕНТНОЙ ДЕМОДУЛЯЦИИ "В ЦЕЛОМ" ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ В РАДИОСИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ

При передаче информации в радиосистемах управления широко применяются дискретные сообщения. Цифровые методы обработки являются наиболее актуальными для программно-аппаратных реализаций демодуляции таких сигналов в реальном времени, например на сигнальных процессорах. Для этого необходимо иметь быстродействующий алгоритм обработки, затрачивающий минимальное число простых арифметических операций на каждый информационный элемент.

Рассматривается вопрос разработки быстродействующего устройства некогерентной демодуляции "в целом" фазоманипулированных сигналов в реальном времени с высокой помехоустойчивостью. Предлагается проводить квантование по минимальному фиксированному количеству отсчетов, равному четырем на один период несущего колебания с последующим формированием двух квадратурных каналов обработки путем вычитания четных и нечетных отсчетов.

Накопление таких разностей с каждого канала за некоторое число периодов исследуемого сигнала позволяет сформировать отклик квадратурных каналов, на основе которых можно построить процедуру демодуляции.

Проведен анализ возможных вариантов демодуляции сигналов с фазовой манипуляцией, в том числе с применением кодирования. Описывается принцип работы быстродействующего цифрового устройства некогерентной демодуляции "в целом" фазоманипулированных сигналов. Приведена структурная схема такого устройства. Описаны результаты моделирования его работы с применением последовательности Баркера, М-последовательнос-ти. Получены и проанализированы зависимости отклика демодулятора от времени для периодически повторяющихся последовательностей Баркера при отсутствии помех. Рассмотрены особенности демодуляции сигналов с относительной фазовой манипуляцией. Сделаны выводы о возможности применения демодуляции "в целом" для сигналов с относительной фазовой манипуляцией.

При реализации устройства в виде специализированной сверхбольшой интегральной схеме можно обеспечить обработку сигнала с центральной частотой до нескольких десятков мегагерц.

Для цитирования:

Глушков А.Н. Применение устройства некогерентной демодуляции "в целом" фазоманипулированных сигналов в радиосистемах управления // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2015. - №2. - С. 11-15.

For citation:

Glushkov A.N. Application of the device incoherent demodulation "as a whole" phase-shift keyed signals radio systems control // T-Comm. 2015. No.2. Рр. 11-15.

Глушков Алексей Николаевич,

к.т.н., доцент кафедры инфокоммуникационных систем и технологий, Воронежский институт МВД России, Россия, Воронеж, anglushkov75@gmail.com

Ключевые слова: помехоустойчивость, декодирование, некогерентная демодуляция, фазовая манипуляция, кодированная последовательность, квадратурный канал, последовательность Баркера, М-последовательность, широкополосные сигналы.

Современные системы радиоуправления насыщены радиоэлектронными средствами извлечения информации о состоянии объекта и связи между составляющими её подсистемами. Важное значение имеет качество и помехозащищенность передаваемых в системе сообщений. Высокие показатели этих составляющих обеспечивает только цифровые методы и устройства передачи и обработки информации

В системах передачи дискретных сообщений передаваемые данные объединяются в информационные блоки из нескольких элементов (символов) [I]. Чаще всего используют двоичное представление сообщений логическими символами 0 или I (иногда удобно использовать арифметические символы I и -I). Если информационный блок содержит к элементов при значности кода q, то он может отображать q передаваемых сообщений, для двоичных символов - соответственно 2" сообщений.

Для повышения помехоустойчивости приема дискретных сообщений используют помехоустойчивое кодирование передаваемых информационных блоков [1-4]. Если используется фиксированная длина к информационного блока, то к нему добавляется m проверочных символов и образуется блочный код длины rt = к + т, обозначаемый как (л,/с) блочный код. Введение дополнительных символов позволяет обнаруживать и исправлять ошибки в принятом блоке за счет появляющейся избыточности, однако при этом падает скорость передачи данных, которую оценивают относительной величиной

п

Чем больше проверочных символов, тем выше помехоустойчивость, но ниже информационная скорость (при к = nl2 получим R = 0,5).

В большинстве случаев в системах связи осуществляется поэлементный прием двоичных информационных символов с вынесением отдельного решения о каждом принятом элементе (I или -I) и последующим жестким [3] решением о принятом информационном блоке. При поэлементном приеме теряется значительная часть информации о принятом сигнале, что приводит к росту вероятности ошибки.

Лучшие результаты обеспечивает мягкое [4] декодирование полученного информационного блока, при котором для каждого принятого элемента формируется величина, характеризующая его значение или надежность (например, значение корреляционной функции принятого и опорного сигналов). Решение о принятом информационном блоке выносится по совокупности этих величин для всех элементов. Примером могут служить турбокоды [4], однако хорошая эффективность обнаружения и, особенно, исправления ошибок достигается при использовании достаточно длинных (десятки килобит) кодов со сложными процедурами декодирования. Использование таких кодов приводит к задержке передачи данных и оказывается допустимым, например, в высокоскоростных спутниковых системах передачи данных.

Прием «в целом» предполагает демодуляцию и декодирование всего информационного блока как единого многопозиционного элемента (число позиций равно 2") с вынесением единого решения о всей принятой к-элементной информационной последовательности. Согласно [2], недостатком приема в целом является высокая сложность аппаратуры, так как для его реализации требуется 2к корреляторов. Предлагаемые быстрые алгоритмы демодуляции фазоманипулированных сигналов позволяют преодолеть это затруднение.

Исследование возможностей приема «в целом» проведено в [I]. Теорема Л. М. Финка утверждает, что обработка «в целом» принятого кодированного сигнала без формирования промежуточных решений о его элементах обеспечивает вероятность ошибки меньше, чем при поэлементном приеме с исправлением ошибок. Помехоустойчивость поэлементного приема с обнаружением ошибок (в системах передачи информации с обратной связью) может быть выше, чем при демодуляции сигнала «в целом».

Согласно [I], при отсутствии избыточности в принимаемых сообщениях прием «в целом» не имеет преимуществ по сравнению с поэлементным приемом, поэтому необходимо использовать помехоустойчивое кодирование, например, [1-3],

При поэлементном приеме демодулятор формирует решения о принятых отдельных элементах (I или -1) и передает результаты в декодер, формирующий на основе л-элементной кодовой последовательности принятую к-элементную информационную комбинацию, используя т проверочных символов для исправления ошибок.

Прием (демодуляция) п-элементного кодового слова «в целом» объединяет операции демодуляции элементов и декодирования в общую вычислительную процедуру формирования отклика на каждую возможную допустимую комбинацию символов с формированием решения о принятой кодовой комбинации по максимальному значению отклика.

Сигнал с фазовой манипуляцией предусматривает только когерентную демодуляцию, так как передаваемая информация содержится в абсолютных значениях начальных фаз элементарных посылок. Если используется сигнал с помехоустойчивым избыточным кодированием, то кодовая комбинация характеризуется не только абсолютными, но и относительными сдвигами фаз в элементах. В этом случае появляется возможность применения некогерентной демодуляции всей кодированной последовательности символов ФМ сигнала, не требующей синхронизации тактового генератора АЦП с принимаемым сигналом с точностью до начальной фазы. За это приходится расплачиваться некоторой потерей помехоустойчивости.

Базовое устройство некогерентной обработки сигнала с двоичной ФМ [5] позволяет реализовать его эффективную демодуляцию «в целом». При этом производится формирование и запоминание откликов }'(>,„ и V т демодулятора отдельно в каждом квадратурном канапе на поступившие элементы кодовой последовательности

(т = 0,(«-1)- номер элемента, начиная с последнего) без вынесения решения об отдельных символах. Затем эти отклики суммируются с весовыми коэффициентами атк=± 1, соответствующими элементам кодового слова

(к = 1,М- номер кодовой последовательности, М - их количество) и для каждой комбинации вычисляются величины вида

я-1

"О к = 'уЛ,аткУ0т

т = О

ч-]

Щк = '

п - число элементов в кодовой последовательности,

Результаты обработки сигнала в квадратурных каналах для каждой к-й кодовой комбинации объединяются в соответствии с выражением

П> 2~~  -\"0к+и1к •

и номер к принятой кодовой комбинации выбирается в соответствии с максимальным значением гк.

Структурная схема демодулятора сигналов с двоичной ФМ «в целом» приведена на рис. I.

В демодуляторе реализована процедура быстрого вычисления величин у о; и Уц , а их дальнейшее накопление в соответствии с (I) и (2) не является быстрым и для М двоичных кодовых комбинаций по п элементов в каждой потребует выполнения лМ операций алгебраического сложения на период сигнала в каждом квадратурном канале. Вычисление величин и «и производится в соответствующих вычислительных устройствах ВУ - ВУП, а их квадратичное преобразование в соответствии с (3) выполняется в устройствах КВ| - КВМ, В устройстве выбора максимума УВМ по синхросигналу СИ выбирается максимальное из значений (3), и его номер определяет принятую кодовую комбинацию.

Очевидно, трудности в обработке возникнут при больших значениях л/И. Если число кодовых комбинаций М мало (например, в командной системе или системе синхронизации возможно использование всего одной кодовой комбинации), длина кода п может выбираться достаточно большой (десятки - сотни элементов), что обеспечит высокую помехоустойчивость. Аналогичная ситуация имеет место в низкоскоростных системах передачи двоичной информации {М~2), когда каждый двоичный информационный символ передается последовательностью из п элементов.

Операции вычисления величин Уо; (I) и У]; (2) не обязательно выполнять для каждого периода Г, а только в моменты поступления синхросигналов СИ через интервалы времени N-7, что существенно снижает требования к скорости работы вычислительных устройств (ВУ), однако в этом случае необходима цикловая синхронизация демодулятора.

Если обрабатывается одна кодовая последовательность (М = Г), то структурная схема некогерентного демодулятора «в целом» имеет вид, показанный на рис. 2.

Проведено моделирование процедуры некогерентной демодуляции «в целом» ФМ сигнала на основе последовательности Баркера в соответствии с алгоритмом работы устройства, показанного на рис. 2.

_У]

^СТМц^--1Ц МР!а |

грр

|ВЬШ1|-Ц~МР11 I т, ,т

СУМи|-Ц~МР12

КВ1

]-МРс!

Уо

У]

кв.—

г _П»«1 Ц«12

кв2

3

квы

МР(П

V

МРпп

Рис. I. Структурная схема демодулятора сигналов с двоичной ФМ «в целом»

Рис. 2. Структурная схема некогерентного демодулятора «в целом»

На рис. 3 показан пример зависимости отклика демодулятора от времени (| номер поступившей кодовой последовательности) для периодически повторяющегося двоичного кода Баркера вида 1111 1001 10101 при отсутствии помех и N = 64, М = 13.

1

м

Рис, 3. Зависимость отклика демодулятора от времени

Как видно, демодулятор обеспечивает эффективное выделение сигнала с низким уровнем боковых всплесков и может использоваться в системах синхронизации или управления.

На рис. 4 представлены результаты моделирования демодуляции «в целом» /^-последовательности длиной М - 31 элементов (показана в верхней части рисунка) при N = 64,1 - номер поступившей последовательности, при ¡<1 наблюдается процесс начального заполнения многоразрядных регистров сдвига. Сравнивая графики на рис. 3 и рис. 4, нетрудно убедиться, что использование ^-последовательностей дает хорошие результаты, а увеличение длины кода существенно повышает помехоустойчивость.

Л>Ц 1 1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 ] -1 -1 1 -1 1 -1 1 1 -1 -1-1-1111-1-111 -1)

1

-Т

Ч'-Ч'о

°Э1 т

I-^J—I

I-I

I-

21

ЗТ 4Т

5Т

эз

и

Э4

Рис. 5. Процедура принятия решения о поступившем символе

При введении помехоустойчивого кодирования демодулятор обрабатывает последовательности из п + I двоичных символов, образующие элементы Э1, Э2, ЭЗ, Э4 кодированного сигнала с ОФМ, пример для л = 2 показан на рис. 6.

Э1

2Т

—I

ЗТ

4Т

5Т

32

ЭЗ

Рис. 4, Результаты моделирования демодуляции «в целом» ^-последовательности длиной М=3/ элементов

Рассматриваемые ФМ сигналы представляют собой широко известные в радиотехнике широкополосные сигналы (ШПС), а демодуляция «в целом» реализует их согласованную фильтрацию. Таким образом, рассматриваемый демодулятор можно использовать как некогерентный цифровой согласованный фильтр ШПС с небольшой базой.

В сигналах с относительной фазовой манипуляцией (ОФМ) передаваемый информационный символ определяется не абсолютным значением фазы элемента, а сдвигом фазы принимаемого элемента относительно предыдущего (для двоичной ОФМ он принимает значения 0 или я) [6]. Решение о принятом символе принимается в результате обработки (сравнения фаз) принятого и предшествующего элементов, как показано на рис. 5, Т - фаза принимаемого элемента, а 'I',, - предшествующего. Пары элементов образуют перекрывающиеся двоичные символы Э1, Э2, ЭЗ, Э4 сигнала с ОФМ, первый элемент является опорным для определения сдвига фазы во втором. Результат некогерентной обработки не зависит от %.

Обработка кодированного сигнала с ОФМ из п +1 двоичных символов выполняется демодулятором «в целом», показанным на рис. I, при этом необходимо учитывать перекрытие кодовых комбинаций.

._Э4—|

Рис, 6. Процедура обработки последовательности принятых символов

Таким образом, предложенное устройство демодуляции обеспечивает эффективное выделение сигнала, обладает высокой помехоустойчивостью и может использоваться в системах синхронизации или управления.

Литература

1. Финк ЛМ. Теория передачи дискретных сообщений. - М.: Сов. Радио, 1970. - 728 с.

2. Информационные технологии в радиотехнических системах. / Под ред. И.Б, Федорова. - М.: Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 201 I. - 846 с.

3. Бородин Л.Ф. Введение в теорию помехоустойчивого кодирования. - М.: Сов. Радио, 1968. - 408 с.

4. Вепои С, Gfovieux A 'Near Optimum Error Correcting Coding and Decoding: Turbo-Codes', IEEE Trans, On Communications, vol. 44, no. 10, October 1996, pp. 1261-1271.

5. Гл ушков A.H., Литеиненко В .П. Цифровой демодулятор сигналов с относительной фазовой манипуляцией. Патент РФ № 2505922 С2 МПК Н 04 В 1/10, опубликован 27.01.2014, бюл. №3.

6. Глушков А.Н., Хохлов Н.С. Некогерентная квадратурная обработка радиосигналов на основе быстрых цифровых алгоритмов для мониторинга радиочастотного спектра в технологиях когнитивного радио II Вестник ВИ МВД России. -2013. - №3. -С. 19-26.

COMMUNICATION

APPLICATION OF THE DEVICE INCOHERENT DEMODULATION "AS A WHOLE" PHASE-SHIFT KEYED SIGNALS RADIO SYSTEMS CONTROL

Glushkov Alexej Nikolaevich,

assistant professor of infocommunication systems and technologies. Candidate of sciences (technical), Voronezh institute of the Russia Ministry of the Interior, Voronezh, Russia,

anglushkov75@gmail.com

Abstract

When transmitting information radio systems control commonly used discrete posts. Digital processing methods are the most relevant for software and hardware implementations of the processing of these signals in real time, such as signal processors. To do this necessary to have a high-speed processing algorithm expended the minimum number basic arithmetic operations on every information element.

The article considers development of high-speed devices incoherent demodulation "as a whole" phase-shift keyed signals in real time with high noise immunity. It is proposed to carry out the quantization by the fixed minimum number of samples equal to four for one period, followed by the formation of two quadrature channels for processing by subtraction of odd and even samples. The accumulation of such differences from each channel for a number of periods of the signal under study allows to generate a response quadrature channels, based on which we can construct a procedure for detecting signals with subsequent demodulation.

The analysis of possible variants demodulation of signals with phase shift keying, including the use of coding. Describing the working principle speed digital devices incoherent demodulation "as a whole" phase-shift keyed signals. The block diagram of such a device. The results of modeling of its work with the Barker sequence, M-sequence. Obtained and analyzed according to the response time of the demodulator for recurrent Barker sequences with no interference. The features of the demodulation of signals with a relative phase shift keying. The conclusions about the possibility of applying the demodulation "as a whole" for signals with a relative phase shift keying. When implemented as a specialized device VLSI signal processing can be ensured with the central frequency of several tens of megahertz.

Keywords: noise immunity, decoding, incoherent demodulation, phase shift keying, coded sequence, quadrature channel, Barker sequence, M-sequence, broadband signals.

References

1. Fink L 'Theory of discrete messages', Soviet radio, 1970, p. 728. [in Russian]

2. Fedorov I 'Information technology in radio systems', MSTU NE Bauman, 2011, p. 846. [in Russian]

3. Borodin L ' Introduction to the theory of noiseproof coding' Soviet radio, 1968, p. 408. [in Russian]

4. Berrou C, Glavieux A 'Near Optimum Error Correcting Coding and Decoding: Turbo-Codes', IEEE Trans. On Communications, vol. 44, no. 10, October 1996, pp. 1261-1271.

5. Glushkov A, Litvinenko V 'The digital signal demodulator with a relative phase shift keying' Patent of Russian Federation, № 2505922 C2 Int. Cl. H 04 B 1/10, Published 27.01.2014, Bull. 3. [in Russian]

6. Glushkov A, Khohlov N 'Quadrature of incoherent radio signal processing based on fast digital algorithm spectrum for monitoring in technologies cognitive radio', Herald of the Voronezh Institute of Ministry of Interior of Russia, no. 3, 2013, pp. 19-26. [in Russian]

T-Comm #2-2015