Способ синхронизации сигнала в многоканальных радиоприемных устройствах
SIGNAL SYNCHRONIZATION METHOD IN MULTICHANNEL RADIO RECEIVERS

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к способам временной синхронизации фазоманипулированных шумоподобных сигналов (ФМ ШПС), и может найти применение в системах радионавигации, радиолокации и радиосвязи, использующих ФМ ШПС.
Способы временного слежения за сигналом в системах цифровой радиосвязи реализуются на основе принципов, неоднократно изложенных в литературе, например, в [1, 2].
Известен способ временной синхронизации с формированием опорного сигнала [2, стр. 426-433], в котором информация о всех синхропараметрах, необходимых для слежения, извлекается из принимаемых сигналов. Сущность способа заключается в том, что с помощью опорного генератора формируют опорный сигнал на основе известных параметров модуляции информационного сигнала (значений частот и параметров псевдослучайных последовательностей (ПСП)), на основе оценок взаимнокорреляционной функции (ВКФ) опорного и входного сигналов рассчитываются рабочие характеристики обнаружения и вхождения в синхронизм, затем принимают решение о поиске и приеме информации и далее обеспечивают слежение за синхропараметрами и их подстройку в течение всего сеанса связи.
Известен способ слежения по задержке входного сигнала [3], в котором на первоначальном этапе осуществляют начальный поиск временной позиции сигнала, при этом осуществляют оценку временной задержки входного сигнала относительно опорного сигнала с точностью до половины элемента ПСП; формируют опорный сигнал, соответствующий временной задержке, и дополнительные опорные сигналы в точках интервала задержек; вычисляют значения ВКФ входного сигнала и опорного сигнала в сформированных моментах времени интервала задержек опорного сигнала; по вычисленным значениям ВКФ формируют непрерывную ВКФ входного и опорного сигнала в интервале временных задержек; определяют временную позицию, соответствующую максимальному значению сформированной ВКФ и, таким образом, получают уточненную оценку начального временного положения входного ШПС; далее, в течение всего времени приема сигнала формируют опорные сигналы, соответствующие трем временным позициям; вычисляют ВКФ входного и опорных сигналов, формируя оценку ВКФ в три момента времени соответственно; определяют максимальное значение из вычисленных оценок ВКФ и корректируют временную позицию в зависимости от момента времени нахождения максимального значения ВКФ: в сторону либо запаздывания, либо опережения, либо не изменяют.
Известен способ [4], в котором по сравнению со способом [3] добавлена двухэтапная модифицированная оценка временного положения ШПС с использованием на каждом этапе итеративного алгоритма высокоточной оценки временного положения ШПС и процедуры адаптивного выбора оптимальных параметров управления системой синхронизации с учетом оценки состояния канала.
Способы слежения за временной задержкой ФМ ШПС [2 – 4] по функциональности и алгоритму работы аналогичны заявляемому. Все способы основаны на смещении по времени опорной ПСП с дискретностью, составляющей доли длительности элемента ПСП. Общим для всех способов является предварительная оценка временной задержки входного ФМ ШПС относительно опорного сигнала, затем в течение всего времени приема сигнала проводится корректировка положения текущей временной позиции опорного ШПС на основе оценки вычисленных значений ВФК опорного и входного сигналов.
Общим недостатком способов являются ограниченные функциональные возможности в случае использования их для многоканальных систем связи, например, в случае использования единственного АЦП для приема по всем каналам.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является способ, описанный в [1, стр. 297-303], принятый за прототип.
Сущность способа-прототипа слежения за временной задержкой заключается в следующих действиях.
Сначала осуществляется предварительная оценка задержки входного сигнала с точностью до половины длительности элемента ПСП. Затем постоянно, в течение всего времени приема сигнала производится слежение за задержкой и фазой сигнала на основе вычисления ВКФ опорной ПСП и огибающей входного сигнала с использованием двух корреляторов, причем опорные ПСП сдвинуты по времени на длительность элемента ПСП. Разность вычисленных значений фильтруют и корректируют тактовую частоту ПСП.
Недостатком способа-прототипа является возникновение большой ошибки в оценке задержки сигнала при реализации его в цифровых радиоприемных устройствах с низкой частотой дискретизации входного сигнала.
В заявляемом изобретении решается задача повышения точности слежения за временной задержкой в многоканальных радиоприемных устройствах, в том числе в случае использования единственного АЦП для приема по всем каналам.
С
СЗ
С
СЗ
СЗ
С
СЗ
СЗ
С
СЗ
Для решения поставленной задачи в способе слежения за временной задержкой, заключающемся в том, что производят поиск сигнала и определение его задержки T с точностью до значения τ, равного половине длительности элемента ПСП, вычисляют значения ВКФ комплексной огибающей входного сигнала и опорной ПСП, согласно изобретению на каждом n-м шаге оценки задержки сигнала вычисляют значения ВКФ для значений задержки , где k – целые числа из интервала [-K, K]; методом интерполяции вычисляют ВКФ для значений задержки (), где m – целые числа из интервала [-M, M]; определяют очередной элемент последовательности , соответствующий максимальному значению модуля ВКФ; цифровой рекурсивной фильтрацией последовательности  формируют текущую оценку смещения задержки О относительно значения T и скорости ее изменения; при повышении О до значения больше τ, О уменьшают на τ, а T увеличивают на τ; при снижении О до значения меньше (-τ), О увеличивают на τ, а T уменьшают на τ; по О определяют текущее временное положение сигнала.
Заявляемый способ заключается в следующем.
С
В начале приема определяют задержку сигнала T с точностью до значения τ, равного половине длительности элемента ПСП.
Затем постоянно, в течение всего времени приема сигнала, на каждом n-ом шаге оценки задержки сигнала (каждом периоде ПСП), производят следующие действия:
- вычисляют значения ВКФ комплексной огибающей входного сигнала и опорной ПСП для значений задержки , где k – целые числа из интервала [-K, K];
- методом интерполяции вычисляют значения ВКФ для значений задержки (), где m – целые числа из интервала [-M, M];
- определяют очередной элемент последовательности , соответствующий максимальному значению модуля ВКФ;
СЗ
С
- цифровой рекурсивной фильтрацией последовательности  формируют текущую О относительно значения T и скорости ее изменения;
СЗ
СЗ
С
- при повышении О до значения больше τ, О уменьшают на τ, а T увеличивают на τ;
СЗ
СЗ
С
- при снижении О до значения меньше (-τ), О увеличивают на τ, а T уменьшают на τ;
СЗ
- по О вычисляют текущее временное положение сигнала.
Для пояснения работы способа необходимо сделать следующие пояснения.
ВКФ комплексной огибающей входного сигнала и опорной ПСП, по существу, является их сверткой. Как известно, спектр свертки сигналов равен произведению их спектров [5]. Спектр входного сигнала в аналоговой части приемного устройства ограничивается по полосе так, что ширина его, как правило, не превышает удвоенной тактовой частоты ПСП. Соответственно и спектр комплексной огибающей входного сигнала, и спектр свертки не содержат составляющих выше тактовой частоты ПСП. Согласно теореме Котельникова, свертка (соответственно и ВКФ) может быть восстановлена по своим отсчетам, следующим с частотой дискретизации, равной половине длительности элемента ПСП.
Интерполяционная формула восстановленной ВКФ  имеет вид
(1),
где k – целые числа из интервала [-K, K];
K – число, определяющее точность восстановления ВКФ;
– вычисленные значения ВКФ.
Цифровые рекурсивные фильтры, формирующие оценки смещения задержки  и скорости ее изменения , описываются рекуррентными уравнениями
(2)
, (3)
, (4)
где М – число, определяющее точность оценки максимума ВКФ;
А, B – постоянные коэффициенты, которые определяются на основе параметров системы связи и зависят от особенностей ее реализации. Выбираются на основе экспертных знаний и предварительного имитационного моделирования системы связи таким образом, чтобы уменьшить джиттерные явления [6].
В радиолокации оценки  и  можно использовать для более точного определения дальности и скорости цели. В радионавигации оценки  и  можно использовать для более точного определения координат и скорости объекта. В радиосвязи оценку  можно использовать для повышения помехозащищенности приема информации. Для этого вычисляют значения ВКФ входного сигнала и ПСП используемой для передачи информации для значений задержек , где K – целые числа из интервала [-K, K]. После этого методом интерполяции вычисляют значение ВКФ для задержки  и по его знаку определяют передаваемый бит информации. При этом достигается наибольшее отношение сигнал/шум.
Работа предлагаемого способа поясняется с помощью алгоритма, представленного на фиг. 1.
В начале происходит инициализация данных и постоянных коэффициентов в соответствии с параметрами системы связи.
С
В блоке 1 производится определение T с точностью до значения τ, равного половине длительности элемента ПСП.
Далее в блоке 2 производится вычисление значений ВКФ комплексной огибающей входного сигнала и опорной ПСП для значений задержки , где k – целые числа из интервала [-K, K].
Далее в блоке 3 производится вычисление очередного значения ВКФ для значений задержки , где m – целые числа из интервала [-M, M].
Далее в блоке 4 определяют очередной элемент последовательности , соответствующий максимальному значению модуля ВКФ.
СЗ
С
Далее в блоке 5 формируют текущую оценку смещения задержки (О) относительно T и скорости ее изменения.
СЗ
СЗ
СЗ
Далее в блоке 6 происходит сравнение О со значением τ. Если (О > τ) – переходят к блоку 7. Если (О ≤ τ) – переходят к блоку 9.
СЗ
СЗ
СЗ
В блоке 9 происходит сравнение О со значением (-τ). Если (О < -τ), то переходят к блоку 10. Если (О ≥ τ), то переходят к блоку 12.
СЗ
В блоке 7 значение О уменьшают на τ, переходят к блоку 8.
С
В блоке 8 значение T увеличивают на τ, переходят к блоку 12.
СЗ
В блоке 10 значение О увеличивают на τ, переходят к блоку 11.
С
В блоке 11 значение T уменьшают на τ, переходят к блоку 12.
СЗ
В блоке 12 на основе полученной О производится вычисление текущего временного положения ШПС.
Далее в блоке 13 происходит ожидание начала нового периода ПСП, и переходят к блоку 2.
СЗ
Затем цикл повторяется. Расчет О проводится в течение всего времени приема сигнала.
Заявляемый способ может быть реализован, например, с использованием программируемых устройств, например, на базе микросхемы 1288ХК1 [7] и сигнальных процессоров из серии однокристальных программируемых многопроцессорных «систем на кристалле» на основе IP-ядерной (Intellectual Property) платформы «МУЛЬТИКОР», которые содержат процессорные RISC-ядра (Reduced Instruction Set Computer) с архитектурой MIPS32, выполняющие функции центрального процессора системы CPU (Central Processing Unit), и высокопроизводительные ядра процессоров-акселераторов для ЦОС с плавающей/фиксированной точкой [8] или аналогичных им по функциональности.
Таким образом, заявляемый способ позволяет улучшить качество системы синхронизации в многоканальных цифровых радиоприемных устройствах, что в итоге позволяет улучшить отношение сигнал/шум и повысить помехозащищенность системы связи.
Достигаемый технический результат – повышение точности слежения за временной задержкой в многоканальных цифровых радиоприемных устройствах.
Результат достигается за счет интерполяции ВКФ, нахождения оценки смещения максимума модуля ВКФ и последующей фильтрации оценок смещения задержки для получения оценки задержки сигнала и скорости ее изменения.
Источники информации
1. Варакин Л.Е. «Системы связи с шумоподобными сигналами» / М.: Радио и связь, 1985. – 384с.
2. Борисов В.И., Зинчук В.М., Лимарев А.Е., Мухин Н.П., Нахмансон Г.С. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью. / М.: Радио и связь, 2003. – 640 с.
3. Патент РФ №2157593. Способ слежения за временной задержкой сигнала и устройство для его реализации / патентообладатель(и): Гармонов Александр Васильевич. Заявка 99113905/09, 24.06.1999; опубл. 10.10.2000. Бюл. № 28.
4. Патент РФ №2667483. Способ высокоточного слежения за временной задержкой широкополосного сигнала и устройство для его реализации / патентообладатель(и): Акционерное общество «Концерн «Созвездие» (RU). Заявка 2016146627, 28.11.2016; опубл. 30.05.2018. Бюл. № 16.
5. Айфичер Э. С., Джервис Б. У. Цифровая обработка сигналов: практический подход, 2-е изд. / М.: Изд.дом «Вильямс», 2004. – 992 с.
6. О реализации системы автоматического управления для радиоприемной системы на основе совместного использования методов экспертных систем и нечеткой логики / И.Н. Малышева, Ю.Л. Козирацкий, С.А. Панов, Ю.А. Плахотнюк // Сборник трудов XXIII научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 18-20 апреля 2017 г. – Т.1. – С.63–68.
7. http://www.transistor.by – радиоэлектронные компоненты компании УП "Завод ТРАНЗИСТОР" (г. Минск).
8. http://www.multicore.ru – радиоэлектронные компоненты компании ГУП «НПЦ «Элвис» (г. Зеленоград).