УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОПЛЕРОВСКОГО СДВИГА ЧАСТОТЫ ПО ИНФОРМАЦИОННОМУ ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННОМУ СИГНАЛУ ПУТЕМ АППРОКСИМАЦИИ ФАЗОВОГО ОТКЛОНЕНИЯ

Полезная модель относится к области электрорадиотехники, а именно к технике радиосвязи, и может быть использована в системах одночастотной передачи данных, а также в системах радиозондирования для измерения доплеровского смещения несущей частоты сигнала в информационно-измерительных устройствах без априорной информации о модулирующем сообщении.
Как известно, доплеровское смещение несущей частоты сигнала может быть вызвано движением источника и/или приемника, а также движением отражающей радиосигнал поверхности (например, для KB радиосвязи характерно изменение высоты слоя ионосферы). В частности, наличие доплеровского смещения частоты приводит к значительному снижению помехоустойчивости систем передачи данных.
Для повышения эффективности современных систем радиосвязи необходимо постоянно знать условия распространения между передающей и приемной сторонами на заданной частоте в конкретный момент времени. Для этого осуществляют тестирование (зондирование) канала, с целью получения оценок параметров канала, таких как отношение сигнал/шум (ОСШ), наличие многолучевости, доплеровское смещение частоты и другие. Для такого тестирования в подавляющем большинстве систем используют различные тестовые сигналы.
В частности, для измерения доплеровского смещения частоты часто используют сигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ). Например, в патенте РФ №2316898 [RU Способ одновременного измерения частотных зависимостей доплеровского смещения частоты и времени распространения коротковолновых сигналов в ионосферной радиолинии, 10.02.2008], или в способе оценки доплеровского смещения описанным в [Sharif B.S., Neashan J., Hinton O.R., Adams A.E. A computationally efficient doppler compensation system for underwater acoustic communication // Oceanic Engineering, IEEE Journal of. - 2000. Vol. 25, №.1. - P. 52-61].
Также известны способы, в которых для оценки доплеровского смещения излучается узкополосный тональный (гармонический) сигнал на одной несущей частоте или модулированный псевдослучайной М-последовательностью. Для случая использования гармонического сигнала принятый сигнал преобразуют с использованием преобразования Фурье, получают спектр, выбирают сигнал с максимальной частотой, который соотносят со значением несущей частоты излученного для определения доплеровского масштабирующего коэффициента и затем определяют величину доплеровского смещения [Оппенгейм Э. Применение цифровой обработки сигналов. - М.: Мир, 1980, 553 с]. При использовании модулированных сигналов обычно применяют различные корреляционные методы, например, [Johnson М., Freitag L., Stojanovic М. Improved Doppler tracking and correction for underwater acoustic communications // in Proc. ICASSP '97, Munich, Germany, Apr. 1997, P. 575-578].
Недостаток указанных способов заключается в том, что для оценки доплеровского смещения частоты используются специальные тестовые сигналы, что снижает информационную скорость.
Известен патент №4706286 [US Sturza; Mark A., Method and circuit for extraction of Doppler information from a pseudonoise modulated carrier, November 10, 1987], основанный на нелинейной операции второго порядка и принятый за прототип. Способ, описанный в указанном патенте предполагает: смешивание принятого сигнала с гетеродинной частотой меньше предполагаемой частоты доплеровского сдвига хотя бы в два раза, а также смешивание принятого сигнала с гетеродинной частотой больше предполагаемой частоты доплеровского сдвига хотя бы в два раза, фильтрацию низкочастотных компонент, смешивание полученных низкочастотных компонент и последующую низкочастотную фильтрацию, после чего путем преобразования Фурье получение оценки доплеровского сдвига частоты. Устройство, реализующее данный способ, также описано в патенте №4706286 [US Sturza; Mark A., Method and circuit for extraction of Doppler information from a pseudonoise modulated carrier, November 10, 1987] и содержит последовательно включенные входной полосовой фильтр, усилитель, выход которого подключен к первому входу первого и второго смесителя (перемножителя), ко второму входу которых подключен первый и второй гетеродин, частоты которых хотя бы в два раза, соответственно, меньше и больше предполагаемой частоты доплеровского сдвига, выходы смесителей подключены к первому и второму фильтрам нижних частот выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам третьего смесителя, выход которого соединен с входом третьего фильтра нижних частот, выход которого соединен с процессором, выполняющим преобразование Фурье, после чего в результате анализа полученного спектра получают оценку доплеровского смещения частоты.
Недостатком прототипа является то, что данный описанный способ и устройство дает серьезную ошибку при определении доплеровского сдвига частоты для сигналов с фазовой манипуляцией, на длительности символа которых укладывается не целое число периодов (например, для авиационных модемов стандарта ARTNC 635). Кроме того точность получаемой оценки напрямую связаны с выбранной частотой дискретизации и числом отсчетов на котором вычисляется преобразование Фурье и, в ряде существующих систем передачи данных (например, в KB и УКВ системах) будет также давать значительную погрешность.
Целью изобретения является определение доплеровского смещения частоты по информационному фазоманипулированному сигналу.
k
0
0
Поставленная цель достигается тем, что устройство определения доплеровского сдвига частоты по информационному фазоманипулированному сигналу путем аппроксимации фазового отклонения содержит фазовый детектор, на выходе которого получают значение фазы очередного k - го символа Ф, вход которого является входом устройства, а выход соединен с первым входом ключа и вторым входом сумматора, при этом второй вход ключа соединен с выходом счетчика, при этом при поступлении от счетчика номера k=0 ключ замыкается и с выхода ключа на вход блока памяти поступает значение фазы Ф, а при k≠0 ключ разомкнут, в результате в блоке памяти хранится значение фазы Ф, с выхода которого его подают со знаком «минус» к первому входу сумматора, на выходе сумматора получают значение разности фаз  которое подают на вход преобразователя фазы, осуществляющего операцию
max
max
симв
выход преобразователя фазы подключен к первому входу первого умножителя, второй вход которого соединен с выходом счетчика, а выход первого умножителя подключен к первому входу первого сумматора накопителя, второй вход которого соединен с выходом счетчика и при k=0 начальное значение первого сумматора накопителя обнуляется, а при поступлении k=К, равного максимальному номеру символа информационной последовательности, на которой осуществляется оценка доплеровского смещения частоты, с выхода первого сумматора накопителя на первый вход делителя подают результат суммирования X, при этом выход счетчика также соединен с первым и вторым входами второго умножителя, выход которого соединен с первым входом второго сумматора накопителя, второй вход которого соединен с выходом счетчика и при k=0 начальное значение второго сумматора накопителя обнуляется, а при поступлении k=K с выхода второго сумматора накопителя на второй вход делителя подают результат суммирования Y, выход делителя, в котором осуществляют деление X/Y, подключен к входу умножителя на коэффициент, в котором осуществляют умножение на коэффициент  где - длительность символа, F – частота следования символов, в результате получая на выходе умножителя на коэффициент, являющегося выходом устройства, значение доплеровского сдвига частоты.
Структурная схема предлагаемого устройства изображена на фиг. 1. Она содержит фазовый детектор 1, вход которого является входом устройства, а выход подключен к первому входу ключа 2 и второму входу сумматора 4. Ключ 2, выход которого соединен с входом блока памяти 3, выход которого подключен к первому входу сумматора 4, выход которого соединен с входом преобразователя фазы 6, который подключен к первому входу первого умножителя 7. Счетчик 5, выход которого подключен ко второму входу ключа 2, второму входу первого умножителя 7, первому и второму входам второго умножителя 8, ко второму входу первого и второго сумматора накопителя 9 и 10. Выход первого умножителя 7 соединен с первым входом первого сумматора накопителя 9, а выход второго умножителя 8 соединен с первым входом второго сумматора накопителя 10. Выход первого и второго сумматоров накопителей 9 и 10 подключен, соответственно к первому и второму входам делителя 11, а выход делителя 11 соединен с входом умножителя на коэффициент 12, выход которого является выходом устройства.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
k
На вход устройства поступает входной сигнал, с абсолютной, относительной или фазоразностной фазовой манипуляцией. При этом сигнал является информационным, т.е. его модулированная информационная последовательность бит заранее неизвестна. Сигнал, в общем случае, также может содержать и известные тестовые вставки, при этом модуляция этих тестовых вставок также должна быть абсолютной, относительной или фазоразностной фазовой манипуляцией. В фазовом детекторе 1 определяют абсолютное значение фазы символа Ф, которое содержит следующие компоненты:
k
симв
где k - номер символа, ϕ - значение фазы символа (0, π), ψ - постоянное смещение фазы, Δƒ - значение доплеровского сдвига частоты, -длительность символа (при этом=1/F), ξk - погрешность фазы, связанная с шумом.
mах+1
k
При этом длительность входного сигнала соответствует информационной последовательности длиной K символов. Отметим, также что даже если используется, например, относительная фазовая манипуляция, т.е. информационный символ закладывается в разность фаз двух соседних символов, то значение фазы каждого символа также содержит компонентуϕ.
mах
0
Счетчик 5 начинает отсчет k=0, 1, 2, 3,…K. При этом, когда номер к=0 поступает на второй вход ключа 2, то ключ 2 замыкается, в результате чего значение фазы Ф, передаваемое с выхода фазового детектора 1 на первый вход ключа 2 поступает с выхода ключа 2 на вход блока памяти 3, где его хранят до тех пор пока новое значение его не заменит. При всех остальных значениях к ключ 2 разомкнут.
0
k
mах
В результате на первый вход сумматора 4 со знаком минус поступает значение фазы нулевого символа Ф, а на второй вход сумматора 4 с выхода фазового детектора 1 поочередно поступают значения остальных символов Ф, k=0, 1, 2, 3,…K. На выходе сумматора получают значения:
k,0
При этом независимо от вида модуляции (абсолютная, относительная или фазоразностная фазовая манипуляция) и вида передаваемой информационной последовательности значения Δϕ равны 0,±π.
k,0
mwi
С выхода сумматора 4 на вход преобразователя фазы 6 подают ΔФ⋅В преобразователе фазы 6 осуществляют операцию  получая значение  Полученное значение фазы подают на первый вход первого умножителя 7, на второй вход которого с выхода счетчика 5 поступает значение к. С выхода первого умножителя 7 на первый вход первого сумматора накопителя 9 поступает значение  При этом на второй вход первого сумматора накопителя 9 с выхода счетчика поступает значение к, и если k=0, то хранящееся (накопленное) значение суммирования приравнивают 0, т.е. Х=0. В сумматоре накопителе 9 осуществляют операцию  Если на второй вход сумматора накопителя 9 поступает значение k=K, то с выхода первого сумматора накопителя 9 на первый вход делителя 11 подают результат суммирования X.
2
2
mак
На первый и второй входы второго умножителя 8 с выхода счетчика поступает значение к. С выхода второго умножителя 8 на первый вход второго сумматора накопителя 10 поступает значение к. При этом на второй вход второго сумматора накопителя 10 с выхода счетчика поступает значение к, и если k=0, то хранящееся (накопленное) значение суммирования приравнивают 0, т.е. 7=0. В сумматоре накопителе 10 осуществляют операцию Y-Y+k. Если на второй вход сумматора накопителя 10 поступает значение k=К, то с выхода второго сумматора накопителя 10 на второй вход делителя 11 подают результат суммирования Y.
В делителе 11 осуществляют деление XIY. Результат подают на вход входу умножителя на коэффициент 12, в котором осуществляют умножение на коэффициент  В результате на выходе умножителя
на коэффициент 12, являющегося выходом устройства, получают значение доплеровского сдвига частоты.
Предлагаемое устройство обеспечивает определение доплеровского смещения частоты по информационному (т.е. неизвестному) фазоманипулированному сигналу с абсолютной, относительной или фазоразностной фазовой манипуляцией.
По сравнению с прототипом устройство требует значительно меньшее количество вычислительных операций, т.к. все операции умножения и сложения производятся с отдельными значениями, а в прототипе с векторами отсчетов входного сигнала и сигналов гетеродинов. Кроме того, в заявляемом устройстве точность получаемой оценки доплеровского смещения частоты выше и практически не зависит от выбранной частоты дискретизации.