УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК OFDM-СИГНАЛОВ

Полезная модель относится к устройствам приема сигналов, а именно к устройствам автоматического приема сигналов с неизвестными модуляционными характеристиками, и может быть использована в стационарных и мобильных средствах связи и радиоконтроля.
В настоящее время в системах связи все более активно применяются сигналы, сформированные путем манипуляции ортогональных поднесущих (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Данная технология в настоящее время рассматривается как одна из наиболее перспективных для построения этих систем.
Существуют системы связи, основанные на передаче и приеме сигналов с OFDM [1, 2], в которых предполагается, что приемнику уже известны параметры сигнала, необходимые для его обработки.
Основным недостатком указанных систем является невозможность корректного приема сигналов с априорно неизвестными параметрами. На практике особенности канала передачи данных и влияние помех различного рода (многолучевое распространение, замирания) могут существенно изменить временные и частотные параметры передаваемого сигнала, что снижает вероятность его корректной обработки.
В способе приема сигналов цифрового телевидения [3] для определения модуляционных характеристик используются особенности построения сигнально-кодовых конструкций системы телевещания для определения априорно неизвестных параметров сигналов для правильной настройки приемника и корректной обработки сигнала.
Недостатком способа является функциональное ограничение приема и обработки сигналов только системы цифрового телевещания DVB-T(T2).
Известен способ [4] автоматического оценивания параметров радиосигналов с OFDM, для осуществления которого необходимы коррелятор и преобразователь частоты дискретизации.
На вход коррелятора поступают цифровые отчеты OFDM-сигнала. Далее цифровые отсчеты OFDM-сигнала передискретизируют с использованием сплайн-интерполяции, определяют временные параметры, такие как длительность интервала ортогональности и бодовая скорость на основе ВКФ двух участков сигнала, затем для определения частотных характеристик (а именно - разноса частот, числа и позиций поднесущих частот) вычисляют спектр одного элемента ортогональности, взятого 100 раз, после чего сигнал вторично передискретизируют и строят сигнальное созвездие.
Недостатками прототипа являются невысокая точность определения модуляционных характеристик по причине отсутствия учета сдвига сигнала по частоте в канале передачи данных, а также двукратная передискретизация сигнала, которая вносит межблочную интерференцию и тем самым снижает эффективность использования спектральных методов определения параметров OFDM-сигналов. К тому же, многократное взятие спектра одного и того же интервала ортогональности ведет к накоплению дополнительной систематической ошибки в определении частотных параметров сигнала.
Цель полезной модели состоит в повышении точности определения модуляционных характеристик OFDM-сигналов.
2
1
1
1
2
2
1
n+3
1
4
1
N
1
1
N
1
N
Поставленная цель достигается за счет того, что прототип, содержащий коррелятор и преобразователь частоты дискретизации, дополнительно включает приемный тракт, аналоговый выход которого соединен с АЦП, выход F которого подключен к входу DDC, соединенного с преобразователем Гильберта, выход которого подключен к сигнальному входу блока обнаружения сигнала и сигнальным входам S коррелятора, блока определения частотных характеристик и блока определения временных характеристик; информационный выход F АЦП подключен к информационным входам D блока определения частотных характеристик и блока определения временных характеристик; выход обнаружителя сигнала подключен к управляющему входу E коррелятора, выход F которого подключен к информационным входам D блока определения частотных характеристик и блока определения временных характеристик, а к управляющим входам Е этих блоков подключен выход F коррелятора; выходы F…F блока определения частотных характеристик и выходы F…F блока определения временных характеристик соответственно подключены к информационным входам D…D блока хранения модуляционных характеристик, информационный выход F которого подключен к входу D блока передискретизации сигнала, к сигнальному входу S которого подключен выход DDC; информационные выходы F…F блока хранения модуляционных характеристик соответственно подключены к входам D…D блока оконечной обработки сигнала; к управляющим входам E блока передискретизации сигнала и блока оконечной обработки сигнала подключен выход E блока хранения модуляционных характеристик, сигнальный выход которого подключен к входу S блока оконечной обработки сигнала.
k
На прилагаемых чертежах показано: фиг.1 - структурная схема устройства автоматического определения модуляционных характеристик OFDM-сигналов; фиг.2 - структурная схема блока определения частотных характеристик; фиг.3 - структурная схема блока определения частотных характеристик; фиг.4 - структурная схема блока хранения модуляционных характеристик; фиг.5 - структура OFDM-символа; фиг.6 - графическое изображение результата вычисления разностей Δx.
2
Устройство содержит приемный тракт 1, аналоговый выход которого соединен с АЦП 2. Выход F АЦП 2 подключен к входу DDC 3, соединенного с преобразователем Гильберта 4, выход которого подключен к сигнальным входам S блока обнаружения сигнала 5, коррелятора 6, блока определения частотных характеристик 7 и блока определения временных характеристик 8.
1
1
Информационный выход F АЦП 2 подключен к информационным входам D блока 7 и блока 8.
1
2
Выход обнаружителя сигнала 5 подключен к управляющему входу E коррелятора 6, выход F которого подключен к информационным входам D2 блока 7 и блока 8, а к управляющим входам E этих блоков подключен выход F коррелятора 6.
1
5
1
n+2
1
N
1
N
1
N
Выходы F…F блока 8 и выходы F…F блока 7 соответственно подключены к информационным входам D…D блока хранения модуляционных характеристик 9, информационный выход F1 которого подключен к входу D блока передискретизации данных 10, к сигнальному входу S которого подключен выход DDC 3. Информационные выходы F…F блока 9 соответственно подключены к входам D…D блока оконечной обработки сигнала 11. К управляющим входам E блока 10 и блока 11 подключен выход E блока 9. Сигнальный выход блока 9 подключен к входу S блока оконечной обработки сигнала 11.
2
2
1
2
0
1
2
1
2
1
1
n+3
1
n+1
1
4
n+3
Блок определения частотных характеристик 7 (фиг.2) содержит: устройство выборки сигнала 7.1, к информационным входам которого подключены вход D блока 7 и ячейка памяти 7.2, которая содержит значение количества интервалов ортогональности, выбраных для усреднения; выход устройства 7.1 подключен к входу D устройства быстрого преобразования Фурье 7.3, к информационному входу D которого подключен вход D блока 7; устройство быстрого преобразования Фурье 7.3, последовательно соединенное с блоком усреднения значений гармоник 7.4 и блоком считывания значений гармоник с максимальной амплитудой 7.5, при этом к входу D блока 7.4 подключена ячейка памяти 7.2; элемент деления 7.6, к входам которого подключены входы D и D блока 7; устройство определения частоты дискретизации 7.7, к входам которого подключены входы D и D блока 7 и выход F блока 7.5. Выходы F…F блока 7 образованы соответственно выходом устройства 7.7, элемента 7.6 и выходами F…F блока 7.5, при этом выход F - содержит значение частоты дискретизации, F2 - содержит значение разноса частот, F3 - содержит количество поднесущих, F…F - содержит значения поднесущих.
2
2
1
2
1
1
4
1
2
орт
3
зи
4
симв
Блок определения временных характеристик 8 (фиг.3) содержит: элемент задержки 8.1, к информационному входу которого подключен вход D, а к сигнальному - вход S блока 8; умножитель 8.2 выходного сигнала элемента задержки 8.1 и устройства определения частотного сдвига 8.3, к входам которого подключен вход 8 блока 8 и выход элемента задержки сигнала 8.1; элемент разности 8.4, на вход «+» которого подключен вход 8 блока 8, а на вход «-» подключен выход умножителя 8.2; устройство определения аргумента максимума взаимно-корреляционной функции 8.5 сигнала с выхода элемента 8.4; элемент разности 8.6, на вход «+» которого подключен выход устройства 8.5, а на вход «-» подключен вход D блока 8; элемент деления 8.7 на входы которого подключен выход элемента 8.6 и вход D блока 8; элемент деления 8.8 к входам которого подключены вход Dблока 8, выход элемента 8.6, выход устройства 8.5 и вход D блока 8. Выходы F…F блока 8 образованы выходом элемента 8.7 и соответствующими выходами элемента 8.8, при этом выход F - значение бодовой скорости B, F- длительность интервала ортогональности T, F - длительность защитного интервала T, F - длительность символа T (фиг.5).
1
2
1
N
1
N
3
1
N
Блок хранения модуляционных характеристик 9 (фиг.4) содержит: матрицу входных ячеек памяти 9.1 размером Nx1, которые соответственно подключены к информационным входам прямоугольной матрицы размером NxM ячеек памяти 9.2, где N - общее количество временных и модуляционных характеристик OFDM-сигнала, M - количество определенных модуляционных характеристик OFDM-сигналов, и к устройству построчного сравнения 9.3 значений ячеек памяти 9.1 со значениями, записанными в ячейках памяти 9.2; выход A устройства 9.3 подключен к управляющему входу матрицы ячеек памяти 9.2; выход Aустройства 9.3 подключен к управляющему входу блока контроля модуляционных характеристик 9.4, к информационных входам D…D которого соответственно подключены выходы F…F блока 9.3; выход F блока 9.4 и выход A устройства 9.3 подключены к входам схемы ИЛИ 9.5. Информационные выходы блока 9 F…F образованы соответствующими выходами блока 9.3, а выход E является выходом схемы ИЛИ 9.5.
Устройство функционирует следующим образом.
Аналоговый радиосигнал с выхода приемного тракта 1 поступает на вход АЦП 2, в котором оцифровывается и поступает в DDC 3, который производит понижение частоты цифрового сигнала.
Далее сигнал поступает на вход преобразователя Гильберта, который формирует на выходе дискретный комплексный сигнал, поступающий в обнаружитель сигнала 5.
В простейшем случае в обнаружителе сигнала 5 производится выборочная оценка отношения сигнал-шум (ОСШ) на интервале анализа. При превышении выборочным отношением сигнал-шум заданного порога принимается решение о наличие сигнала источника радиоизлучения (ИРИ). В этом случае на выходе обнаружителя сигнала 5 формируется сигнал тревоги обнаружителя, который включает коррелятор 6.
1
2
m
орт
Коррелятор 6 вычисляет аргумент к, соответствующий максимальному значению автокорреляционной функции цифровой реализации сигнала {x, x, , x}; k соответствует длительности интервала ортогональности в отчетах сигнала N.
В момент когда автокорреляционная функция принимает максимальное значение, коррелятор 6 включает блок определения временных характеристик 8 и блок определения частотных характеристик 7 и передает им значение k.
1
2
Элемент 7.6 считывает значения информационных входов D и D и определяет их отношение, соответствующую разносу частот:
.
i
Для определения числа n и позиций поднесущих F,  осуществляется:
орт
орт
1
f
формирование блоком выборки сигнала 7.1 W цифровых реализаций сигнала длиной N отсчетов (значение W сохранено в ячейке памяти 7.2), поступающих в устройство быстрого преобразования Фурье 7.3, которое для каждого интервала ортогональности выполняет БПФ размером N и передает на каждом такте значения гармоник на информационные входы D…D блока 7.4;
усреднение значений гармоник в блоке 7.4 по W выборкам;
определение в блоке 7.5 числа и значений частот гармоник с максимальной амплитудой.
Устройство 7.7 определяет значение требуемой частоты дискретизации OFDM-сигнала по следующему соотношению:
симв
орт
Одновременно блок определения временных характеристик 8 для вычисления длительности символа N производит вычисление разности в элементе 8.4 между отсчетами исходного сигнала и отсчетами этого же сигнала, сдвинутыми по времени на величину N, и умноженного в элементе 8.2 на выходное значение устройства 8.3, соответствующее значению комплексного коэффициента α, отвечающего за поправку сдвига по частоте, обусловленного искажениями сигнала в канале связи и неточностью настройки приемного тракта:
,
k
где x - k-й отчет исходного сигнала.
В устройстве 8.5 определяется аргумент автокорреляционной функции разности, который соответствует максимальному ее значению, и принимается за длительность символа:
ЗИ
симв
орт
2
Длительность защитного интервала N вычисляется в элементе 8.6 как разность длительности символа N (значение на выходе элемента 8.5) и длительности интервала ортогональности N (значение входа Dблока 8).
1
Элемент 8.7 определяет бодовую скорость B как отношение значения выхода элемента 8.5 к значению информационного входа D блока 8:
Значения длительности интервала ортогональности, длительности защитного интервала и длительности символа в количестве цифровых отсчетов сигнала в блоке 8.8 делятся на значение частоты дискретизации, а на выходах блока 8.8 считываются длительности соответствующих интервалов в секундах.
1
N
Модуляционные характеристики, полученные в блоке 7 и блоке 8, поступают на соответствующие информационные входы D…D блока 9 и сохраняются в соответствующих ячейках памяти 9.1.
1
N
1
N
1
N
1
2
1
1
N
Устройство построчного сравнения 9.3 считывает значения N ячеек памяти 9.1 и значения выходов F…F матрицы 9.2, которые на первом такте считывают значение первого столбца матрицы ячеек памяти 9.2. Устройство 9.3 производит сравнение значений на входах D…D и Q…Q. Если значения не равны, то на выходе A формируется управляющий импульс, который производит сдвиг считываемого столбца матрицы ячеек памяти 9.2. Такты повторяются до тех пор, пока входные значения устройства 9.3 не будут равны, при этом на выходе A формируется управляющий импульс, который проходит через схему ИЛИ 9.5 и активирует блок передискретизации 10 и блок оконечной обработки сигнала 11. Блок передискретизации 10 считывает значение частоты дискретизации сигнала с выхода F блока 9 и выполняет передискретизацию сигнала, поступающего на вход S, который далее передается на сигнальный вход S блока оконечной обработки сигнала 11, с информационных входов D…D которого считывают значения модуляционных характеристик OFDM-сигнала и производят регистрацию, демодуляцию, экспресс-анализ и другие виды оконечной обработки сигнала.
2
1
N
Если значения последнего считанного столбца матрицы ячеек памяти 9.2 не равны значениям соответствующих ячеек памяти 9.1, тогда на выходе A вырабатывается управляющий импульс, который включает устройство контроля модуляционных характеристик 9.4, которое оценивает значения модуляционных характеристик, поступающих на информационные входы D…D на предмет соответствия их классу модуляционных характеристик OFDM-сигналов по следующим соотношениям:
i
- значения поднесущих частот F должны отстоять друг от друга на значение разноса частот;
- разность между верхней и нижней частотой должна быть кратна величине обратно пропорциональной длительности интервала ортогональности;
- длительность защитного интервала должна составлять 1/16, 1/8 или 1/4 от длительности символа;
- совокупная длительность одного сигнального символа должна быть равна сумме длительности защитного интервала и длительности интервала ортогональности (фиг.6).
Если значения принадлежат классу OFDM-сигналов, тогда на выходе F формируется управляющий импульс, под воздействием которого в матрице ячеек памяти записывается новая строка, значения которой соответствуют значениям ячеек памяти 9.1. Кроме того, управляющий сигнал с выхода F проходит через схему ИЛИ 9.5, поступает на выход E блока 9 и активирует блок 10 и блок 11.
необх
Вычисление в цифровой части устройства производится на большей частоте дискретизации сигнала, чем необходимая частота дискретизации, приблизительно - 4F, что позволяет повысить точность определения временных параметров ODFM-сигналов.
Техническую реализацию цифровой части устройства предлагается осуществить на базе промышленной ЭВМ. Аналого-цифровое преобразование в АЦП 2, перенос частоты в DDC 3 и передискретизация сигналов в БПД 10 предлагается осуществлять с использованием специализированных устройств сбора данных, включенных в состав промышленной ЭВМ. Блок оконечной обработки сигнала 11 предлагается реализовать на базе бытовой (офисной) персональной ЭВМ. Кроме того блоки 4, 5, 6, 7, 8 и 9 можно реализовать на ПЛИС.
Положительными техническими эффектами использования устройства являются:
повышение точности определения временных характеристик ODFM-сигналов за счет учета сдвига сигнала по частоте;
повышение точности определения частотных характеристик за счет взятия спектра нескольких интервалов ортогональности с последующим усреднением значений гармоник;
повышение вероятности определения модуляционных характеристик OFDM-сигналов за счет использования блока контроля модуляционных характеристик 9.4.
Совокупность полезных технических эффектов позволяет обеспечить надежное определение модуляционных характеристик вновь проявившихся OFDM-сигналов в условиях отсутствия априорной информации о них.
Литература:
1. Патент РФ 2221330, Широкополосная система радиосвязи КВ-диапазона, МПК H04B 1/10, 2004 г., авторы: Бокк О.Ф. и др, патентообладатель ФГУП «Воронежский НИИ связи», (аналог)
2. Патент РФ 2454816, Устройство для передачи ОРБМ-сигнала и устройство для приема OFDM-сигнала, H04L 27/26, 2012 г., авторы: Мики Нобухико, Абэта Садаюки, патентообладатель НТТ ДоСоМо, Инк. (аналог)
3. Патент РФ 2450472, Синхронизация символов ОРБМ с использованием преамбулы со смещенными по частоте префиксом и суффиксом для приемника DVR-T2, H04L 27/26, 2012 г., авторы: Тупала Миика Сакари и др., патентообладатель Нокиа Корпорейшн, (аналог)
4. Сауков А.М. и др. Оценивание параметров радиосигналов с ортогональным частотным мультиплексированием в условиях априорной неопределенности. Наукоемкие технологии, №8, 2011, с.10-13. (прототип)