Передача и прием сигналов с DOQPSK и cdoqpsk с использованием алгоритма Витерби

мы [Текст] / Е.П. Минаков, В.А. Лопота, Е.И. Юревич, А.С. Кондратьев // Матер. XX Междунар. науч.-техн. конф. Экстремальная робототехника. Нано- микро- и макророботы (ЭР-2009). -Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. -С. 103-106.

7. Бабкин, Е.В. Супервизорное управление космическим роботом на Международной космической станции (МКС) с использованием сети Интернет [Текст] / Е.В. Бабкин, М.Ю. Беляев, И.А. Васильев, В.С. Забо-ровский, В.П. Макарычев, А.В. Силиненко, К. Ланд-цеттель // Матер. Всерос. молодежной конф. Экстремальная робототехника. -2011. -С. 32-42.

8. Заяц, О.И. Управление пакетными коммутациями в телематических устройствах с ограниченным буфером при использовании абсолютного приоритета и вероятностного выталкивающего механизма. Ч. 1 [Текст] / О.И. Заяц, В.С. Заборовский, В.А. Мулюха, А.С. Вербенко // Новые технологии. Программная инженерия. -2012. -№ 2. -С. 22-29.

9. Заяц, О.И. Управление пакетными коммутациями в телематических устройствах с ограниченным буфером при использовании абсолютного приоритета

и вероятностного выталкивающего механизма. Ч. 2 [Текст] / О.И. Заяц, В.С. Заборовский, В.А. Мулюха, А.С. Вербенко // Новые технологии. Программная инженерия. -2012. -№ 3. -С. 21-29.

10 Заборовский, В.С. Проведение космических экспериментов с использованием сети многоцелевых робототехнических операций [Текст] / В.С. Заборовский, В.А. Мулюха, А.В. Силиненко, А.С. Ильяшенко // Матер IV Всерос. мультиконф. по проблемам управления. -Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011. - Т. 1. -370 с.

11. Заборовский, В.С. Перспективные задачи космических экспериментов на борту РС МКС в области создания многоцелевой сети робототехнических операций [Текст] / В.С. Заборовский, В.А. Мулюха, А.В. Силиненко, А.С. Ильяшенко, А. Шиле // К.Э. Циолковский и будущее космонавтики: Матер. XLVI Научных чтений памяти К.Э. Циолковского. -Калуга: Изд-во «Эйдос», -2011. - 97 с.

12. Nergaard, Kim. METERON. Conducting robotic operations and experiments from orbit [Text] / Kim Nergaard [et al.] // ESA Bulletin. -Aug. 2011. -№ 147. -P. 22-29.

УДК 621.391.037.3

А.Б. Кислицын, А.В. Рашич

ПЕРЕДАЧА И ПРИЕМ СИГНАЛОВ С DOQPSK И CDOQPSK С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЛГОРИТМА ВИТЕРБИ

При передаче сообщений с помощью сигналов с DOQPSK (Differential Offset Quadrature Shift Keying) обеспечивается сравнительно малое значение пик-фактора излучаемых колебаний. Кроме того, при использовании таких сигналов появляется возможность осуществлять прием без фазовой и частотной синхронизации в широком диапазоне величин отстройки. Применение вида манипуляции CDOQPSK (Constant envelope Differential Offset Quadrature Shift Keying) обеспечивает значение пик-фактора колебаний 0 дБ, что позволяет использовать усилители мощности передатчиков с эффективностью, близкой к максимально достижимой. Сигнал CDOQPSK формируется в результате амплитудного клиппирования сигнала с DOQPSK после его цифровой фильтрации на выходе передающего устройства.

Процедура формирования сигналов с CDOQPSK (устранение девиаций вещественной

огибающей) приводит к двукратному расширению спектра (по сравнению со спектром сигнала с DOQPSK) для уровня излучения менее -40 дБ. В то же время данный эффект не увеличивает шумовую полосу сигнала вследствие применения одинаковых входных фильтров как в процессе приема сигналов с DOQPSK, так и в процессе приема сигналов с CDOQPSK.

Недостатком сигналов с DOQPSK и CDOQPSK является их малая энергетическая эффективность, что обусловлено интерференцией, вносимой выходным фильтром, относительной задержкой модуляции синфазной и квадратурной компонент сигнала, а также выполнением дифференцирования точек максимального эффекта сигнала в процессе его приема. При некогерентной поэлементной демодуляции сигналов с DOQPSK в канале с аддитивным белым гауссовским шумом (АБГШ) вероятность ошибки на бит 10-5 достигается для

Квадратурный канал обработки (()) Рис. 1. Структурная схема модулятора сигналов DOQPSK и CDOQPSK

величины энергии на бит не менее 19 дБ.

Цель работы - повышение помехоустойчивости приема сигналов с DOQPSK путем использования приема «в целом», эффективная реализация которого обеспечивается применением алгоритма Витерби [1].

Схемы модулятора и устройства цифровой обработки сигналов

Модулятор сигнала (рис. 1) строится на основе формирователя сигналов с OQPSK с дополнительными блоками дифференциальных кодеров в каждом из квадратурных каналов, а также амплитудного ограничителя для устранения девиаций вещественной огибающей. Амплитудный ограничитель используется только при формировании сигналов с видом манипуляции CDOQPSK. Заданное значение ширины спектра и уровня внепо-лосных излучений обеспечивают фильтры низких частот (ФНЧ) с характеристикой корня из приподнятого косинуса. Сигналы с видами манипуляции DOQPSK и CDOQPSK формируются посредством одной и той же схемы в зависимости от режима работы блока амплитудного ограничения.

...11101...

mod 2

Процедура формирования сигналов с видами манипуляции DOQPSK или CDOQPSK включает несколько этапов. Поток канальных символов, состоящий из двоичных элементов 0 и 1, подается на мультиплексор (блок «MUX» на рис. 1). Данное устройство осуществляет распределение четных канальных символов а. в синфазный канал обработки I, а нечетных Ъ. - в противофазный канал обработки Q. После распределения двоичные элементы поступают на блоки дифференциального кодирования (блоки «Дифф. кодер» на рис. 1), осуществляющие операцию бинарного интегрирования потока (рис. 2).

Канальные символы с выхода блоков дифференциального кодирования поступают на вход формирователей прямоугольных импульсов (блоки «Форм-ль прямоуг. импульсов» на рис. 1). При этом элементу 0 ставится в соответствие прямоугольный импульс длительностью Ts положительной полярности, а элементу 1 - прямоугольный импульс длительностью Ts отрицательной полярности. Сформированный видеосигнал в квадратурном канале обработки Q задерживается относительно видеосигнала в синфазном канале I на половину длительности импульса T/2.

.10110...

ZT/2 ^

Рис. 2. Схема дифференциального кодера канальных символов

4

F 1 = 4R_ I

= 2R

1 1

1 RRC 1

Дифф.

коррелятор преамбулы

Коррекция частотной отстройки

7(Ts) .

• conj

Демодулятор Витерби

Рис. 3. Структурная схема устройства цифровой обработки сигналов на приемной стороне

Каждый из видеосигналов поступает на цифровой фильтр, имеющий передаточную характеристику вида «корень из приподнятого косинуса» (Root-Raised Cosine - RRC). Амплитудный ограничитель сигнала (блок «Амплитудный ограничитель (CDOQPSK)» на рис. 1) применяется для осуществления перехода от сигнала с DOQPSK к сигналу с CDOQPSK посредством осуществления клиппирования в соответствии с выражени-

Z .

ем zj = |—, где zt = xi + j • y - z-й комплексный z.

I 11

отсчет сигнала на выходе демодулятора, образуемый x . - i-м отсчетом с выхода фильтра в синфазном канале обработки и y - i-м отсчетом с выхода фильтра в квадратурном канале обработки; zi - i-й комплексный отсчет сигнала на выходе амплитудного ограничителя.

Последним этапом при формировании сигнала является перенос его спектра на несущую. Данная операция схематически изображена на рис. 1 модуляцией квадратурными низкочастотными колебаниями выхода генератора высоких частот (ГВЧ) и последующим сложением полученных сигналов.

На рис. 3 представлена структурная схема устройства цифровой обработки сигналов на приемной стороне.

Частота дискретизации Fd 1 сигнала, поступающего с входного ФНЧ на схему дифференциальной корреляции преамбулы (блок «Дифф. коррелятор преамбулы»), равна учетверенной бодовой скорости: Fd 1 = 4R . С помощью данной схемы решаются задачи обнаружения сигнала, тактовой

2 k

jy 2 k

синхронизации, а также грубой оценки и коррекции частотной отстройки.

Перед поступлением на демодулятор Витерби поток комплексных отсчетов сигнала с частотой дискретизации, равной удвоенной бодовой скорости ^ зого = 2Я, подается на схему через-тактового дифференцирования (рис. 4). Необходимость в применении данного блока обусловлена выбором некогерентного алгоритма приема.

Сигнальные отсчеты, получаемые с выхода блока дифференцирования на интервале 2к-го такта + у у^, связаны с подаваемыми на него отсчетами х2к + у у1к следующимсоотношением:

Х?к + у Ш = (Х2к + уу2к ) • (Х2к - уу2к ).

Конфигурация сигнального созвездия (рис. 5), формируемого отсчетами на выходе устройства дифференцирования, не зависит от начальной фазы обрабатываемого сигнала, а также от величины остаточной (после грубой коррекции) частотной отстройки. Как показано на рисунке, каждой точке дифференциального созвездия соответствует от двух до четырех комбинаций канальных битов, состоящих из четырех элементов. Данное обстоятельство обусловлено несколькими факторами:

применением видов манипуляции DOQPSK и CDOQPSK;

применением на передающей и приемной стороне RRC-фильтров, имеющих полосу пропускания, равную бодовой скорости;

выполнением через-тактового дифференцирования последовательности сигнальных отсчетов.

X,

dif

2 к

jy df

-Ts Z X 2 к -1 + J У 2 к -1 conj

Рис. 4. Структурная схема блока через-тактового дифференцирования сигнальных отсчетов

11111

г Ц- 11

1 1- -1-1 1-1 к 111 Ь 11-1 1-1 1-1

-1 -1- -11 * 11 ¥ Ч "1-11-1-1-1- 11 11

1 1-11 1-1 1 1 *

-1 -1- 1-1-1™ 111-1 17Гг 1 1-11-11 1-1 1-1 1

я Ь ......-1111-1 1-1111 ш -111-1- 1-1 1-1-1

т 11111 1111-1 ш 1-1111 1-1-1-1-1

11 -1-1- 1-11 111 Л т 1-1-1 -11111 -1 1-1 1 1

\ •1 1-1

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

1п-РИа8е

Рис. 5. Конфигурация сигнального созвездия на выходе блока дифференцирования при коэффициенте сглаживания применяемых RRC фильтров, равном единице

Демодулятор Витерби

В процессе обработки сигнала временной переход от одной точки созвездия к другой не означает смену комбинации полностью [2, 3]. Последовательность, соответствующая следующей точке, содержит три из четырех канальных символов предыдущей точки.

Таким образом, переход от одной точки дифференциального сигнального созвездия к другой в процессе приема определяется одним канальным символом. При этом схема, включающая модулятор ЭООРБК (СЭООРБК), ИЯС-фильтр приемника, а также блок через-тактового дифференцирования, может рассматриваться в качестве единого устройства - эквивалентного кодера со скоростью г = 1/1, кодовым ограничением К = 5 и кодовыми символами на выходе, представляющими собой точки на сигнальной плоскости (рис. 6).

Область значений кодовых символов на выходе эквивалентной схемы при отсутствии АБГШ и воздействия замираний определяется набором сигнальных точек дифференциального сигнального созвездия ЭООРБК. Решетка эквивалентного кода (рис. 7) включает на каждом шаге кодирования (декодирования) 2К-1 = 16 узлов и два ребра, исходящих из каждого узла. Общее количество возможных переходов на каждом шаге равно 32.

Схема демодулятора Витерби для сигналов ЭООРБК и СЭООРБК реализуется в соответствии с принципами построения декодеров Ви-терби. Алгоритм строится на основе описанной решетки эквивалентного кода. В качестве метрики Д2к используется угловое расстояние по модулю 2п, вычисляемое как разность между фазой идеальных точек дифференциального созвездия и фазой сигнальных отсчетов, поступающих на вход демодулятора гл/к = хл/к + ]  ул/к :

Д 2к ='

а^к^ л'})-а^1е(г% )|, ^е^ л'})-angle(г% )| < п 2п -angle(si, ) - а^!е()|, Iangle(s'', ) -а^!е()| > п

Выбор угловых расстояний вместо евклидовых обеспечивает независимость результатов

работы демодулятора от девиаций вещественной огибающей сигнала, что позволяет отказаться от

Канальные .Ц.Ц символы

1 . Г \

Формирование точек дифференциального сигнального созвездия

К = 5

Скорость кода г = 1/1

..2+0i, 1+li..

Комплексные сигнальные отсчеты

Рис. 6. Схема эквивалентного кодера

реализации вычислительно сложных схем автоматической регулировки усиления (АРУ).

В целях повышения помехоустойчивости приема с выхода демодулятора поступают мягкие решения, вычисляемые в соответствие с классическим алгоритмом SOVA (Soft Output Viterbi Algorithm).

На рис. 8 представлены полученные в результате имитационного моделирования кривые помехоустойчивости. Из характеристик видно, что осуществление приема «в целом» для сигналов DOQPSK с использованием разработанного демодулятора Витерби позволяет получить энергетический выигрыш по сравнению с поэлементным приемом до 7,5 дБ по уровню вероятности ошибки на бит 10-5. При этом достигается потенциальная помехоустойчивость приема сигналов с п/4-DQPSK. Учитывая значения пик-фактора, переход от вида манипуляции п/4-DQPSK к DOQPSK в сочетании с предложенной схемой приема позволяет получить суммарный энергетический выигрыш до 3,4 дБ.

Характеристики помехоустойчивости некогерентного приема сигналов с CDOQPSK, а также когерентного и некогерентного приема сигналов с DOQPSK представлены на рис. 9. При

обработке сигналов с DOQPSK и CDOQPSK применяется одна и та же схема приема, что значительно упрощает реализацию радиоэлектронных устройств. Как видно из представленных графиков, применение одного алгоритма для обработки всех излучений в системе связи приводит к относительно небольшому (не более 0,5 дБ) энергетическому проигрышу приема сигналов с CDOQPSK по сравнению с приемом сигналов с DOQPSK при вероятности ошибки на бит 10-5. Однако, учитывая значения пик-фактора, суммарный энергетический выигрыш, обеспечиваемый переходом от вида манипуляции CDOQPSK к DOQPSK, составляет не менее 1,6 дБ. Энергетический проигрыш при некогерентном приеме сигналов DOQPSK по сравнению с когерентным приемом не превышает 1 дБ (по уровню вероятности ошибки 10-5), что также показывает эффективность разработанной схемы демодулятора Витерби.

Таким образом, используемые в разработанной сигнально-кодовой конструкции виды манипуляции DOQPSK и CDOQPSK обеспечивают относительно небольшое значение пик-фактора (от 0 до 2,1 дБ). Для приема данных сигналов не требуется осуществление фазовой синхронизации, а также частотной синхронизации в широком

1 1 1 1 1 1 1-1 1 1 -1 1 1 1-1-1 1 -1 1 1

9+ГН

9+ГН

9+ГН

2+0i

Рис. 7. Фрагмент решетки эквивалентного кода

Рис. 8. Характеристики помехоустойчивости некогерентного приема сигналов с видами манипуляции п/4-DQPSK и DOQPSK в случае осуществления посимвольной демодуляции и демодуляции по Витерби

Рис. 9. Характеристики помехоустойчивости некогерентного приема сигналов с видом манипуляции CDOQPSK, а также когерентного и некогерентного приема сигналов DOQPSK

диапазоне величин отстройки, что обеспечивает работоспособность системы при небольших значениях отношения сигнал-шум на отсчет (менее 5 дБ). Помехоустойчивость приема данных сигналов в условиях АБГШ при использовании разработанного демодулятора Витерби соответствует

потенциальной помехоустойчивости сигналов с видом манипуляции п/4-DQPSK. В таблице представлены значения энергии на бит, требуемые для достижения средней вероятности ошибки на бит 10 5, при использовании различных алгоритмов некогерентного приема сигналов с четырехпо-

Значения пик-фактора и энергии на бит при использовании различных алгоритмов некогерентного приема сигналов с четырехпозиционными видами манипуляции

Метод манипуляции DQPSK п/4-DQPSK DOQPSK DOQPSK CDOQPSK

Алгоритм приема Некогерентный поэлементный, дБ Некогерентный поэлементный, дБ Некогерентный поэлементный, дБ Некогерентный прием «в целом», дБ Некогерентный прием «в целом», дБ

E5/N0 (BER = 10-5) 12,0 12,0 19,0 11,2 11,7

Пик-фактор 3,6 3,4 2,1 2,1 0

Суммарное значение 15,6 15,4 21,1 13,3 11,7

зиционными видами манипуляции. Суммарные значения энергии на бит и пик-фактора, представленные в таблице, могут рассматриваться в качестве критерия для грубой оценки эффективности применения различных видов манипуляции и схем приема. Как видно, значения данного

СПИСОК Л

1. Макаров, С.Б. Передача дискретных сообщений по радиоканалам с ограниченной полосой пропускания [Текст] / С.Б. Макаров, И.А. Цикин. -М.: Радио и связь, 1988. -304 с.

2. Рашич, А.В. Снижение пик-фактора сигналов с ортогональным частотным уплотнением [Текст] / А.В. Рашич, С.Б. Макаров // Научно-технические ведо-

показателя для методов манипуляции DOQPSK и CDOQPSK при использовании разработанного демодулятора являются самыми низкими среди

всех рассмотренных.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента Российской Федерации МК-2612.2012.9 за 2012 г.

мости СПбГПУ -СПб.: Изд-во Политехнического университета. -2008. -№ 2 (55). -С. 79-84.

3. Рашич, А.В. Алгоритм приема спектрально-эффективных сигналов с OFDM [Текст] / А.В. Рашич, С.Б. Макаров, С. Атик // Научно-технические ведомости СПбГПУ -СПб.: Изд-во Политехнического университета. -2010. -№ 3 (101). -С. 32-39.