УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОПЛЕРОВСКОГО СДВИГА ЧАСТОТЫ ПО ИНФОРМАЦИОННОМУ ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННОМУ СИГНАЛУ ПУТЕМ ВЗВЕШЕННОЙ 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 КВ 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 apseudonoise 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 ARINC 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 КВ и УКВ системах) будет также давать значительную погрешность.
Целью изобретения является определение доплеровского смещения частоты по информационному фазоманиггулированному сигналу.
k
k
i
j
i,j
i
j
симв
симв
симв
симв
Поставленная цель достигается тем, что устройство определения доплеровского сдвига частоты по информационному фазоманипулированному сигналу путем взвешенной аппроксимации фазового отклонения содержит фазовый детектор, на выходе которого получают значение фазы очередного k-го символа Ф, k=0, 1, 2, …K, первый вход которого является входом устройства, второй вход соединен с выходом первого счетчика, а выход соединен с первым входом блока памяти, в котором хранятся значения фаз Ф, k=0, 1, 2, …K, второй и третий входы которого соединены с выходом, соответственно, второго и третьего счетчика, при этом выход второго счетчика также подключен к первому входу третьего счетчика, первый и второй выходы блока памяти, по которым передают значения фаз Ф и Ф, номера которых определяются вторым и третьим счетчиками, соединены, соответственно с первым и вторым входом сумматора, причем второй вход со знаком «минус», на выходе сумматора получают значение разности фаз ΔФ=Ф-Ф, которое подают на вход преобразователя фазы, в котором осуществляют вычисление  по формуле  выход преобразователя фазы подключен к первому входу первого сумматора накопителя, второй вход которого соединен с выходом второго счетчика, и при k=K с выхода первого сумматора накопителя на первый вход первого делителя подают результат суммирования X, а начальное значение первого сумматора накопителя обнуляют, при этом на второй вход первого делителя с выхода четвертого счетчика подают значение L, при чем вход четвертого счетчика соединен с выходом второго счетчика, выход первого делителя, в котором осуществляют деление A=X/L, подключен к первому входу второго сумматора накопителя, второй вход которого соединен с выходом первого счетчика, при чем, при поступлении k=0 начальное значение второго сумматора накопителя обнуляется, второй сумматор накопитель осуществляет суммирование K поступивших на первый вход значений, после чего с выхода второго сумматора накопителя на первый вход второго делителя подают результат суммирования Y, с выхода третьего сумматора накопителя на второй вход второго делителя подают значение Z, выход второго делителя, в котором осуществляют деление B=Y/Z, подключен к входу умножителя на коэффициент, в котором осуществляют умножение на коэффициент С=1/(2πТ)=F/(2π), где Т - 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, первый вход которого является входом устройства, а выход подключен к первому входу блока памяти 3, ко второму и третьему входу которого подключены, соответственно, выход второго и третьего счетчиков 4, 5. Выход второго счетчика 4 также соединен с первым входом третьего счетчика 5. Первый счетчик 2, выход которого соединен со вторым входом фазового детектора 1, входом второго счетчика 4, вторым входом третьего счетчика 5, входом третьего сумматора накопителя 13 и вторым входом второго сумматора накопителя 11. Первый и второй выходы блока памяти 3, соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора 6, выход которого подключен к входу преобразователя фазы 7, выход которого соединен с первым входом первого сумматора накопителя 8, второй вход которого соединен с выходом второго счетчика. Выход первого сумматора накопителя 8 соединен с первым входом первого делителя 10, второй вход которого подключен к выходу четвертого счетчика, вход которого соединен с выходом второго счетчика. Выход первого делителя подключен к первому входу второго сумматора накопителя 11, выход которого соединен с первым входом второго делителя 12, второй вход которого соединен с выходом третьего сумматора накопителя 13. Выход делителя 12 соединен с входом умножителя на коэффициент 14, 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 каждого символа Ф, которое содержит следующие компоненты:
k
k
симв
k
Ф=ϕ+ψ+k⋅2π⋅Δƒ⋅T+ξ,
k
симв
симв
симв
k
где k - номер символа, ϕ - значение фазы символа (0, π), ψ - постоянное смещение фазы, Δƒ - значение доплеровского сдвига частоты, Т - длительность символа (при этом Т=1/F), ξ - погрешность фазы, связанная с шумом.
k
При этом длительность входного сигнала соответствует информационной последовательности длиной K символов. Отметим, также что даже если используется, например, относительная фазовая манипуляция, т.е. значение информационного символа закладывается в разность фаз двух соседних символов, то значение фазы каждого символа также содержит компоненту ϕ.
k
k
Первый счетчик 2 осуществляет отсчет символов k=0, 1, 2, 3, …K. С выхода фазового детектора 1 на первый вход блока памяти поступают значения фаз Ф, k=0, 1, 2, …K. После заполнения блока памяти 3 значениями Ф, k=0, 1, 2, …K, т.е. в момент, когда с выхода первого счетчика 2 на вход второго счетчика 4 и второй вход третьего счетчика 5 поступает значение k=K второй и третий счетчики 4, 5 начинаю отсчет, который осуществляется следующим образом: второй счетчик 4 осуществляет отсчет в виде «1, 2, 3, 4, … K», после чего происходит сброс, и новый отсчет осуществляется в виде «2, 3, 4, … K», после чего вновь происходит сброс, и новый отсчет осуществляется в виде «3, 4 … K», и т.д. Третий счетчик 5 при этом осуществляет отсчет в виде «0, 1, 2, 3, … K», при этом, если на первый вход третьего счетчика 5 поступает значение k=K, то осуществляется сброс третьего счетчика и отсчет начинают заново в виде «0, 1, 2, 3, … K». В результате осуществления сбросов на выходе третьего счетчика получают значения в виде «0, 1, 2, … K-1», затем, «0, 1, 2, … K-2», затем «0, 1, 2, … K-3» и т.д.
i
j
С первого и второго выхода блока памяти 3 на, соответственно, первый и второй входы сумматора 6 передают значения фаз Ф и Ф, номера которых определяются вторым и третьим счетчиками, причем на второй вход сумматора 6 со знаком «минус». На выходе сумматора 6 получают значение разности фаз:
k,0
При этом независимо от вида модуляции (абсолютная, относительная или фазоразностная фазовая манипуляция) и вида передаваемой информационной последовательности значения Δϕ равны 0,±π.
i,j
Значения ΔФ подают на вход преобразователя фазы 7, в котором осуществляют вычисление  по формуле . В результате . Значения  с выход преобразователя фазы 7 подают на вход первого сумматора накопителя 8, в котором осуществляют суммирование . При этом на второй вход первого сумматора накопителя 8 с выхода второго счетчика 4 поступает значение k, и если k=K, то хранящееся (накопленное) значение суммирования X подают на первый вход первого делителя 10, а начальное значение первого сумматора накопителя 8 обнуляют, т.е. X=0.
На второй вход первого делителя 10 с выхода четвертого счетчика 9 подают значение L, соответствующее количеству тактов с выхода второго счетчика 4 между очередными значениями k=K. Т.е. при отсчетах на выходе второго счетчика в виде «1, 2, 3, 4, … K» - L=K, при последующих отсчетах второго счетчика 4 в виде «2, 3, 4, … K» - L=K-1, и т.д. На выходе первого делителя 10 получают значение A=X/L, которое подают на первый вход второго сумматора накопителя 11, в котором осуществляют суммирование Y=Y+A. При этом на второй вход второго сумматора накопителя 11 с выхода первого счетчика поступают значения k, при чем, при поступлении k=0 начальное значение второго сумматора накопителя 11 обнуляется, т.е. Y=0. Второй сумматор накопитель 11 осуществляет суммирование K поступивших на первый вход значений А, после чего с выхода второго сумматора накопителя 11 на первый вход второго делителя 12 подают результат суммирования Y.
На вход третьего сумматора накопителя 13 с выхода первого счетчика 2 поступают значения k. В третьем сумматоре накопителе 13 осуществляют суммирование Z=Z+k. При чем при k=0 начальное значение третьего сумматора накопителя 13 обнуляется, т.е. Z=0, а при k=K накопленное значение Z передают на второй вход второго делителя 12.
симв
симв
симв
симв
На выходе второго делителя 12 получают значение B=Y/Z, которое передают на вход умножителя на коэффициент 14, в котором осуществляют умножение на коэффициент С=1/(2πT)=F/(2π), где T - длительность символа, F - частота следования символов. В результате на выходе умножителя на коэффициент 14, являющегося выходом устройства, получают значение доплеровского сдвига частоты Δƒ=С⋅В.
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.