МОДУЛЬ АНАЛИЗА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ДИАГРАММ МНОГОМЕРНЫХ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована для анализа пространственных диаграмм многомерных цифровых сигналов, в частности для анализа пространственных диаграмм многомерных цифровых сигналов при техническом контроле в отложенном режиме.
Разработчики современных систем связи стремятся предельно снизить вероятность появления ошибок при заданном среднем отношении сигнал/шум. В отдельных случаях это приводит к реализации сигнальных конструкций, имеющих сложную пространственную диаграмму (созвездие) [1, с.589, 2, с.234-236], причем количество возможных созвездий резко увеличивается с повышением числа позиций сигнальных точек. Появление таких сигнальных конструкций значительно увеличивает сложность распознавания вида манипуляции и определение алгоритма демодуляции при техническом контроле сигналов, в особенности при использовании мобильных средств технического контроля в условиях низкого отношения сигнал/шум. В таких условиях при мониторинге используют регистрацию фрагментов оцифрованного сигнального потока, а анализ параметров производят в отложенном режиме.
Известен модуль анализа пространственных диаграмм многомерных цифровых сигналов, используемый в устройстве по патенту RU 2235337 [3]. Модуль содержит блок определения координат векторов сигнала и графический индикатор. Блок определения координат векторов сигнала выполнен в виде двух последовательных цепей, первая из которых содержит первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП), первый регистр памяти и второй регистр памяти, а вторая цепь содержит второй АЦП, третий регистр памяти и четвертый регистр памяти, причем выходы всех регистров памяти подключены к соответствующим входам вычислителя, предназначенного для вычисления фазовых скачков сигнала и расчета амплитудной гистограммы, второй выход вычислителя соединен с управляющими входами регистров памяти, а на входы дискретизации первого и второго АЦП и каждого регистра памяти подается сигнал с выхода каждого узла дискретизации. Модуль обеспечивает анализ пространственных диаграмм сигналов ФМ, ФМ со сдвигом периода, АФМ и КАМ.
Недостатком модуля является низкая вероятность получения достоверных результатов анализа, особенно при низком отношении сигнал/шум. Это объясняется тем, что шумовая составляющая приводит к изменению координат каждой точки пространственной диаграммы контролируемого сигнала [1, с.204, 205] При большом числе точек диаграмма "размывается", что исключает возможность правильной идентификации параметров векторов.
Кроме того, известный модуль обладает ограниченными функциональными возможностями: не обеспечивается распознавание пространственных диаграмм частотно-манипулированных (ЧМн) сигналов. Это объясняется тем, что при контроле ЧМн сигналов фазовые скачки, на которые реагирует модуль, отсутствуют, а имеющиеся фазовые переходы носят случайный шумоподобный характер.
Известен модуль анализа пространственных диаграмм многомерных цифровых сигналов, используемый в устройстве по патенту RU 2309414 [4]. Модуль содержит блок определения координат векторов сигнала и графический индикатор. В состав блока определения координат векторов сигнала введены преобразователь ЧМн в амплитудно-импульсную манипуляцию (АИМн) и коммутатор, что расширило функциональные возможности при анализе пространственных диаграмм цифровых сигналов.
Недостатком модуля является низкая вероятность получения достоверных результатов анализа сложных пространственных диаграмм многомерных цифровых сигналов, в особенности при низком отношении сигнал/шум.
Это объясняется тем, что шумовая составляющая каждого суммарного вектора приводит к изменению координат векторов сигнала и "размыванию" диаграммы. Анализ не дает однозначного результата и обеспечивает низкую вероятность распознавания вида манипуляции и определения алгоритма демодуляции сигнала.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является модуль анализа пространственных диаграмм многомерных цифровых сигналов, используемый в устройстве по патенту на полезную модель №77051 [5] (прототип). Модуль содержит последовательно включенные блок определения координат векторов сигнала, регистратор совпадений, второй вход которого соединен с выходом генератора контрольных сигналов, и графический индикатор, а также последовательно включенные блок принятия решения и алфавитно-цифровой индикатор, причем на второй вход генератора контрольных сигналов подается сигнал тактовой частоты с второго выхода блока определения координат векторов сигнала.
Известный модуль осуществляет определение координат векторов контролируемого многомерного цифрового сигнала с инструментально допустимой точностью. Одновременно формируются имитирующие сигналы априорно известных видов манипуляции на базе тактовой частоты контролируемого сигнала и определяются координаты векторов каждого имитирующего сигнала. Корреляционное сравнение параметров диаграмм контролируемого и имитирующих сигналов позволяет повысить достоверность результатов анализа.
Однако недостатком известного модуля анализа пространственных диаграмм многомерных цифровых сигналов является недостаточная достоверность определения параметров сложных видов сигнальных созвездий. Это объясняется тем, что отсутствие априорной информации не позволяет формировать опорный сигнал, идентичный по форме пространственной диаграммы контролируемому сигналу, а следовательно и реализовать преимущества корреляционного метода анализа.
Целью создания полезной модели является повышение достоверности результатов анализа по определению вида и параметров пространственной диаграммы контролируемого многомерного цифрового сигнала в условиях низкого отношения сигнал/шум.
Поставленная цель достигается за счет того, что в известный модуль анализа пространственных диаграмм многомерных цифровых сигналов, содержащий последовательно включенные блок определения координат векторов сигнала, регистратор совпадений, второй вход которого соединен с выходом генератора контрольных сигналов, и графический индикатор, а также последовательно включенные блок принятия решения и алфавитно-цифровой индикатор, причем на второй вход генератора контрольных сигналов подается сигнал тактовой частоты с второго выхода блока определения координат векторов сигнала, введены персональная электронно-вычислительная машина (ПЭВМ) с блоком программного обеспечения, регулятор пространства совпадений, счетчик регулярных совпадений, датчик времени усреднения и блок ввода информации, первый вход которого подключен к входу блока определения координат векторов сигнала, а второй выход через датчик времени усреднения и счетчик регулярных совпадений соединен с первым входом блока принятия решения и непосредственно подключен к второму входу ПЭВМ, второй выход блока определения координат векторов сигнала соединен с вторым входом счетчика регулярных совпадений, выход регулятора пространства совпадений соединен с третьим входом генератора контрольных сигналов, первый выход ПЭВМ подключен к второму входу блока принятия решения и первому входу генератора контрольных сигналов, а второй выход ПЭВМ соединен с входом регулятора пространства совпадений и вторым входом датчика времени усреднения, при этом входы блока ввода информации являются сигнальными входами квадратурных составляющих и тактовой частоты модуля анализа пространственных диаграмм многомерных сигналов.
Модуль при анализе пространственных диаграмм цифровых сигналов позволяет регулировать параметры координат векторов контрольных псевдослучайных сигналов и добиваться за счет этого максимальной степени согласования (корреляции) [1, с.207]. Это дает возможность получения на графическом индикаторе реальной сложной пространственной диаграммы контролируемого многомерного сигнала при отсутствии априорной информации, а следовательно - достоверно распознавать вид манипуляции и определять алгоритм демодуляции сигнала при техническом контроле в условиях низкого отношения сигнал/шум.
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого модуля анализа пространственных диаграмм многомерных цифровых сигналов из литературы не известны, поэтому он соответствует критерию новизны.
На фиг.1 приведена функциональная схема модуля анализа пространственных диаграмм многомерных цифровых сигналов.
Модуль анализа пространственных диаграмм многомерных цифровых сигналов, содержит последовательно включенные блок 1 определения координат векторов сигнала, регистратор 2 совпадений, второй вход которого соединен с выходом генератора 3 контрольных сигналов, и графический индикатор 4, а также последовательно включенные блок 5 принятия решения и алфавитно-цифровой индикатор 6, причем на второй вход генератора 3 контрольных сигналов подается сигнал тактовой частоты с второго выхода блока 1 определения координат векторов сигнала. В модуль введены ПЭВМ 7 с блоком 8 программного обеспечения, регулятор 9 пространства совпадений, счетчик 10 регулярных совпадений, датчик 11 времени усреднения и блок 12 ввода информации, первый вход которого подключен к входу блока 1 определения координат векторов сигнала, а второй выход через датчик 11 времени усреднения и счетчик 10 регулярных совпадений соединен с первым входом блока 5 принятия решения и непосредственно подключен к второму входу ПЭВМ 7. Второй выход блока 1 определения координат векторов сигнала соединен с вторым входом счетчика 10 регулярных совпадений. Выход регулятора 9 пространства совпадений соединен с третьим входом генератора 3 контрольных сигналов, первый выход ПЭВМ 7 подключен к второму входу блока 5 принятия решения и первому входу генератора 3 контрольных сигналов, а второй выход ПЭВМ 7 соединен с входом регулятора 9 пространства совпадений и вторым входом датчика 11 времени усреднения. Входы блока 12 ввода информации являются сигнальными входами квадратурных составляющих и тактовой частоты модуля анализа пространственных диаграмм многомерных сигналов.
Модуль (фиг.1) функционирует следующим образом.
p
a
Информационный сигнал, пространственная диаграмма которого подлежит анализу, с выходов регистрирующего устройства подается на входы блока 12 в виде квадратурных цифровых потоков и тактовой частоты. Блок 12 ввода информации является интерфейсом, обеспечивающим согласование регистрирующего устройства с устройствами, входящими в состав модуля анализа пространственных диаграмм многомерных сигналов. С второго выхода блока 12 сигнал запускает датчик 11 времени усреднения и ПЭВМ 7. Длительность зарегистрированного фрагмента сигнала Δt и расчетная длительность анализа Δt максимально сложной пространственной диаграммы многомерного сигнала могут иметь соотношение .
p
a
Если Δt≥Δt, то датчик 11 устанавливает по команде ПЭВМ 7 время
y
a
усреднения Δt=Δt, в альтернативном случае снижается вероятность правильного определения координат векторов пространственной диаграммы.
При высоком отношении сигнал/шум модуль осуществляет анализ с помощью блоков 12, 1, 2, 4. Блок 1 определяет координаты векторов контролируемого сигнала и через регистратор 2 совпадений, работающий в одноканальном режиме, подает результаты на графический индикатор 4, который фиксирует пространственную диаграмму, позволяющую идентифицировать вид манипуляции и определить алгоритм демодуляции сигнала.
а
а
Однако при воздействии шумов и различных помех каждая точка сигнального созвездия начинает "рассыпаться" на множество случайных значений [1, с.204, 205]. При большом числе точек диаграмма "размывается", причем в первую очередь полностью исчезают в шумах точки внешней границы созвездия, представляющего собой циклический набор, обозначаемый как (, в, …), где  - количество сигнальных точек во внутреннем круге, в - точки следующего круга и так далее [1, с.589]. С увеличением воздействия шумов и различных помех перестают достоверно индицироваться отдельные точки в различных частях пространственной диаграммы. В таких условиях определение параметров векторов диаграммы, распознавание вида манипуляции и определение алгоритма демодуляции сигнала становится проблематичным.
В этом случае генератор 3 формирует контрольные сигналы, координаты векторов которых задает ПЭВМ 7. Контрольные сигналы подаются на второй вход регистратора 2 совпадений. Результат корреляции контролируемого и контрольного сигналов описывается интегралом произведений  i=1, …, М и индицируется графическим индикатором 4 в виде графической диаграммы.
Но при контроле многомерного цифрового сигнала с неизвестным видом манипуляции координаты векторов контрольных сигналов априорно неизвестны, их необходимо определять в ходе анализа.
k
2
m
m
ПЭВМ 7 при формировании контрольных сигналов задает следующие параметры: М=2 - число точек пространственной диаграммы, где k=logМ, A - амплитуда вектора, Ө - фаза вектора, m=1, 2, …, М.
Многомерный цифровой сигнал можно представить в виде набора сигналов, где каждый элемент множества физически реализуем и имеет длительность Т, или линейной комбинации N ортогональных сигналов
1
N
Ψ(t), …, Ψ(t), - где N≤M [1, с.140].
,
где
a
ij
j
i
В этой формуле  - это коэффициент при Ψ(t) разложения сигнала s(t) по базисным функциям.
i
m
При выражении многомерного сигнала через параметры векторной диаграммы s(t)=s(t) правомерно выражение [2, с.147-153]:
,
где ,  - форма импульса.
1
2
1
2
2
1
2
n
m
Если пространственная диаграмма является комбинацией АМ-МФ сигналов, то сигнальное созвездие содержит М=ММ точек пространства, где М=2 и М=2. Сигнальное созвездие сводится к мгновенной передаче m+n=logMM двоичных символов, возникающих со скоростью R/(m+n). В этом случае сигнал можно записать как комбинацию двух ортогональных сигналов , где ,
g
, ξ - энергия импульса g(t).
Расстояние Евклида между произвольной парой сигнальных точек равно
.
Отсюда видно, что, комбинируя параметрами пространственной диаграммы контрольных сигналов генератора 3, можно ограничивать участки пространства совпадений регулятором 9, за счет чего добиваться повышения степени корреляции отдельных векторов или их групп испытуемого и контрольного сигнала. Это дает возможность последовательно выявлять точки созвездия и добиваться достоверной индикации анализируемых пространственных диаграмм сигналов.
y
Суммирование результатов тестирования производится на интервале Δt, устанавливаемом датчиком 11 времени усреднения. Датчик 11 запускает счетчик 10 регулярных совпадений по сигналам с второго выхода регистратора 2, результат подается на вход блока 5 принятия решения и сравнивается с пороговым значением, задаваемым ПЭВМ 7. Алфавитно-цифровой индикатор 6 фиксирует возможный вариант определения вида манипуляции сигнала.
При возникновении близких гипотез модуль использует вытекающее из теоремы Байеса правило выбора, следующее из определения соотношения между условными вероятностями случайных переменных A и B [1, с.1051]:
, или в дискретной форме ,
i
j
, где ; s - i-й класс из набора М классов; z - j-я выборка принятого сигнала.
1
0
2
0
0
Если предположительно определены функции плотностей условных вероятностей для взаимно независимых двоичных сигналов, искаженных шумом z(T)=a+n и z(T)=a+n, а шум n предполагается независимой гауссовой случайной переменной с нулевым средним, дисперсией  и плотностью вероятности, описываемой выражением , то отношение правдоподобий можно записать как
p
Блок 5 сравнивает принятые выборки, характеризуемые числом регулярных совпадений, с порогом, задаваемым ПЭВМ 7, и принимает решение. Неопределенный результат свидетельствует о недостаточности Δt, недопустимо низком отношении сигнал/шум или необходимости корректировки координат векторов контрольных сигналов, задаваемых ПЭВМ 7.
Все блоки модуля анализа пространственных диаграмм многомерных цифровых сигналов являются цифровыми устройствами, каждое из которых может быть реализовано в соответствии с рекомендациями [6]. Средства осуществления полезной модели позволяют обеспечить ее промышленную применимость.
Таким образом, предлагаемый модуль анализа пространственных диаграмм многомерных цифровых сигналов позволяет существенно увеличить достоверность определения параметров сложных сигнальных созвездий и за счет этого повысить вероятность правильного распознавания вида манипуляции и определения алгоритма демодуляции цифровых сигналов.
Использованные источники
1. Скляр Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Издательский дом "Вильямc", 2003.
2. Прокис Джон. Цифровая связь. - М.: Радио и связь. 2000.
3. Патент на изобретение RU 2235337, МПК G01R 23/16. Устройство для распознавания видов манипуляции цифровых сигналов.
4. Патент на изобретение RU 2309414, МПК G01R 23/16. Устройство для распознавания видов манипуляции цифровых сигналов.
5. Патент на полезную модель №77051. МПК G01R 23/16. Зарегистрировано 10.10.2008 г. Устройство для распознавания видов манипуляции цифровых сигналов.
6. Джон Ф. Уэйкерли. Проектирование цифровых устройств. Постмаркет, Москва, 2002.