Способ передачи сигналов с модуляцией фазовым сдвигом по каналу связи с многолучевым распространением
METHOD OF TRANSMITTING SIGNALS WITH PHASE SHIFT MODULATION OVER A COMMUNICATION CHANNEL WITH MULTI-BEAM PROPAGATION

Способ относится к радиотехнике и может найти применение в средствах связи.
Известен способ передачи дискретной информации по гидроакустическому каналу связи в условиях многолучевого распространения сигнала (патент RU 2571390, H04B 13/00). Недостатком данного способа является недостаточно высокая эффективность в условиях многолучевого распространения сигнала.
Известен способ подавления ошибок многолучевости в приемниках спутниковой навигации (RU 2237256, G01S 5/00, H04B 1/06). Недостатком данного способа является недостаточно высокая эффективность в условиях многолучевого распространения сигнала.
Известны способы ослабления фазовой многолучевости (патент RU 2407025, G01S 1/00, заявка на изобретение RU 2007118506, G01S 1/00). Известен способ подавления ошибок многолучевости в приемниках спутниковой навигации (заявка на изобретение RU 2001104812, G01S 5/00, H04B 1/06). Недостатком данных способов является недостаточно высокая эффективность в условиях многолучевого распространения сигнала.
Известен способ защиты узкополосных каналов передачи данных в условиях многолучевого распространения радиосигналов и комплекс средств для его реализации (патент RU 2663240, H04B 7/216). Недостатком способа является недостаточно высокая скорость передачи информации.
Известен способ передачи дискретной информации по каналу связи с многолучевым распространением (патент RU 2638760 H01L 1/00). Недостатком способа является недостаточно высокая скорость обмена информацией в условиях многолучевого распространения сигнала.
Известны методы ослабления влияния замираний путем разнесения по частоте, а именно, сигнал передается через М передатчиков и М приемников, работающих на М разных несущих частотах, разность несущих частот выбирается так, чтобы сигналы на выходах приемников были некоррелированными, описанные в (Теория электрической связи: учебное пособие / К.К. Васильев, В.А. Глушков, А.В. Дормидонтов, А.Г. Нестеренко / Под общ. ред. К.К. Васильева. - Ульяновск: УлГТУ, 2008, стр. 305; Теория электрической связи: Учебник для вузов / А.Г. Зюко, Д.Д. Кловский, В.И. Коржик, М.В. Назаров / Под ред. Д.Д. Кловского. - М.: Радио и связь, 1998, стр. 208). Недостатками частотного разнесения является необходимость дополнительных затрат полосы частот (затраты увеличиваются в М раз) и рост количества аппаратных средств (передатчиков, приемников и средств формирования результирующего сигнала из М принятых).
Известен способ передачи дискретной информации по каналу связи с многолучевым распространением (патент RU 2647656 H04L 27/22). Недостатком способа является его недостаточная эффективность в условиях многолучевого распространения сигнала.
Известен способ передачи дискретной информации по гидроакустическому каналу связи в условиях многолучевого распространения сигнала, описанный в патенте РФ 2519011 H04L 27/22. Недостатком данного способа является его недостаточно высокая эффективность в условиях многолучевого распространения сигнала.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является способ, который заключается в использовании цифровой фазовой (нелинейной) модуляции (PSK) описанный в книге «Прокис Джон, «Цифровая связь». Пер. с англ./Под ред. Д. Д. Кловского. - М.: Радио и связь. 2000, стр. 150, 151, принятый за прототип.
Способ-прототип заключается в следующем.
При цифровой фазовой (нелинейной) модуляции M сигналов можно представить в виде
m=1,2,…,M, 0 ≤t ≤ T,
m
где g(t) определяет огибающую сигнала, а θ =2π(m-1)/M, m=1,2,…,M, определяет M возможных значений фазы несущей, которая переносит передаваемую информацию. Цифровую фазовую модуляцию (ЦФМ) называют также модуляцией с фазовым сдвигом (МФС, PSK).
Рассматриваемые формы сигналов имеют одинаковую энергию.
Случаю M=2 соответствуют одномерные противоположные сигналы. В этом случае модуляция с фазовым сдвигом является бинарной фазовой модуляцией (BPSK).
Недостатком способа-прототипа является невысокая эффективность в условиях многолучевого распространения сигнала.
Задача - повышение эффективности выделения сигнала в условиях многолучевого распространения сигнала.
Для решения поставленной задачи в способе передачи сигналов с модуляцией фазовым сдвигом по каналу связи с многолучевым распространением, заключающемся в том, что на этапе вхождения в связь осуществляют синхронизацию средств связи, используют модуляцию фазовым сдвигом (PSK), принимают решение о наличии сигнала путем его сравнения с порогом, значение которого равно нулю, согласно изобретению, на этапе вхождения в связь осуществляют синхронизацию средств связи с точностью, достаточной для обеспечения заданного уровня эффективности взятия отсчетов, формируют информационный сигнал как последовательность символов, состоящих из последовательности тональных импульсов, фазы и длительность которых имеют различное значение, передают их последовательно по времени, разность фаз между соседними импульсами равна π, значения длительности импульсов устанавливают заранее, берут отсчеты принятой аддитивной смеси сигнала и сигнала, отраженного от земной поверхности, в соответствии с сигнатурой используемых символов, отсчеты, принадлежащие одному символу, суммируют, решение о наличии сигнала принимают путем сравнения полученных сумм с соответствующим порогом.
Предлагаемый способ выделения сигнала на фоне отраженных от земной поверхности сигналов осуществляют следующим образом.
Приводится описание способа для случая работы на фиксированной частоте. Для случая работы с перестройкой частоты процесс осуществляется для каждой рабочей частоты так же, как и для фиксированной частоты.
Используют гармонический сигнал.
На этапе вхождения в связь осуществляют синхронизацию средств связи.
Вид модуляции - модуляция фазовым сдвигом (PSK) с неравномерной длительностью импульсов. Иллюстративный пример приведен на фиг. 1. Символ, соответствующий 1, например, состоит из следующих трех импульсов:
c
п
sin(2πft), 0 ≤ t≤ T,
c
п
п
sin(2πft+π), T ≤ t ≤ 3T,
c
п
п
sin(2πft), 3T ≤ t ≤ 6T,
c
где: f - несущая частота;
п
T - величина периода, соответствующего значению несущей частоты.
Отсчеты берут в моменты, когда амплитуда сигнала достигает положительного или отрицательного максимального значения. При суммировании отсчеты берут с соответствующим знаком (сигнатурой). То есть, отсчеты, для которых амплитуда должна быть положительной, берут с положительным знаком, отсчеты, для которых амплитуда должна быть отрицательной, умножают на -1.
Для приведенного примера (см. фиг. 1) сигнатура будет следующей:
для 10 отсчетов;
1, -1, -1, 1, -1, 1, 1, -1, 1, -1;
для 12 отсчетов;
1, -1, -1, 1, -1, 1, 1, -1, 1, -1, 1, -1.
Поскольку отраженный от земной поверхности сигнал является сигналом со случайной фазой, то в процессе обработки осуществляется суммирование отсчетов, взятых с соответствующими знаками, и соответственно в сумме будут присутствовать как положительные, так и отрицательные значения напряжений, что приводит к снижению уровня отраженного от земной поверхности сигнала (фиг. 2).
Результаты оценки эффективности предлагаемого способа получены методом математического моделирования на ЭВМ с использованием системы MATLAB  свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2019660744 «Программа оценки эффективности способа передачи дискретной информации по каналу связи с многолучевым распространением с использованием сигналов с модуляцией с фазовым сдвигом (PSK) с неравномерной длительностью импульсов».
pi
pi
В качестве источника помех рассматривается подстилающая поверхность. Помеха при моделировании представлена в виде суммы гармонических колебаний со случайными значениями фаз (j), которые распределены по равномерному закону, и амплитуд (U), которые получают как произведение амплитуды сигнала на значение коэффициента отражения от земной поверхности сигнала, значение которого распределено по равномерному закону в некотором заданном интервале значений, длительность каждого отраженного сигнала равна длительности сигнала
со
где: N- число отраженных сигналов;
соi
U - амплитуда i-ого отраженного сигнала;
с
ω - частота сигнала;
соi
ϕ - фаза i-ого отраженного сигнала.
Амплитуда i-ого отраженного сигнала рассчитывается по формуле
соi
оi
с
U=KU,
с
где U - амплитуда сигнала в момент его попадания на участок земной поверхности, от которой он отражается;
оi
K- коэффициент отражения сигнала от земной поверхности.
Значение интервала изменения коэффициента отражения сигнала от земной поверхности задано на основе анализа результатов экспериментальных исследований или моделирования процесса отражения сигнала от земной поверхности.
Сравнение эффективности предлагаемого способа осуществлено с эффективностью способов передачи информации с использованием бинарной фазовой модуляции (BPSK).
При моделировании использовались следующие исходные данные:
3
- число реализаций - 10;
- вид манипуляции:
для способа-прототипа - BPSK;
для предлагаемого способа - BPSK с неравномерной длительностью импульсов (НДИ);
- амплитуда сигнала равна 1;
- число периодов (длительность сигнала) - 6 и 10;
- число отсчетов - два за период;
- число отраженных сигналов - 300, 500, 1000.
о
лт
отр
отр
В таблице 1 приведены значения вероятностей обнаружения сигнала (Р) и ложной тревоги (Р) для традиционной BPSK для различных значений числа отраженных сигналов (N) и мощности отраженных сигналов (P) после соответствующей обработки для одинаковых параметров отраженного сигнала.
о
лт
отр
отр
В таблице 2 приведены значения вероятностей обнаружения сигнала (Р) и ложной тревоги (Р) для BPSK с неравномерной длительностью импульсов различных значений числа отраженных сигналов (N) и мощности отраженных сигналов (P) после соответствующей обработки, для одинаковых параметров отраженного сигнала.
Таблица 1
Числоотсчетов
Число отраженных сигналов
Мощность отраженных сигналов
Обозначение параметра
Значение параметра
10
300
56
Р<sub>о</sub>
0,91
Р<sub>лт</sub>
0,09
82
Р<sub>о</sub>
0,87
Р<sub>лт</sub>
0,13
128
Р<sub>о</sub>
0,82
Р<sub>лт</sub>
0,18
500
101
Р<sub>о</sub>
0,84
Р<sub>лт</sub>
0,16
135
Р<sub>о</sub>
0,81
Р<sub>лт</sub>
0,19
214
Р<sub>о</sub>
0,75
Р<sub>лт</sub>
0,25
1000
197
Р<sub>о</sub>
0,77
Р<sub>лт</sub>
0,23
264
Р<sub>о</sub>
0,73
Р<sub>лт</sub>
0,27
414
Р<sub>о</sub>
0,69
Р<sub>лт</sub>
0,31
12
300
82
Р<sub>о</sub>
0,9
Р<sub>лт</sub>
0,1
112
Р<sub>о</sub>
0,87
Р<sub>лт</sub>
0,13
182
Р<sub>о</sub>
0,82
Р<sub>лт</sub>
0,18
500
142
Р<sub>о</sub>
0,83
Р<sub>лт</sub>
0,17
188
Р<sub>о</sub>
0,81
Р<sub>лт</sub>
0,19
308
Р<sub>о</sub>
0,76
Р<sub>лт</sub>
0,24
1000
285
Р<sub>о</sub>
0,75
Р<sub>лт</sub>
0,25
370
Р<sub>о</sub>
0,73
Р<sub>лт</sub>
0,27
617
Р<sub>о</sub>
0,65
Р<sub>лт</sub>
0,35
Таблица 2
Числоотсчетов
Число отраженных сигналов
Мощность отраженных сигналов
Обозначение параметра
Значение параметра
10
300
5,4
Р<sub>о</sub>
0,997
Р<sub>лт</sub>
0,003
7,9
Р<sub>о</sub>
1
Р<sub>лт</sub>
>10<sup>-3</sup>
11,7
Р<sub>о</sub>
1
Р<sub>лт</sub>
>10<sup>-3</sup>
500
9,2
Р<sub>о</sub>
0,999
Р<sub>лт</sub>
0,001
11,7
Р<sub>о</sub>
0,998
Р<sub>лт</sub>
0,002
18,9
Р<sub>о</sub>
0,991
Р<sub>лт</sub>
0,009
1000
18,2
Р<sub>о</sub>
0,987
Р<sub>лт</sub>
0,013
22,6
Р<sub>о</sub>
0,985
Р<sub>лт</sub>
0,015
39,8
Р<sub>о</sub>
0,94
Р<sub>лт</sub>
0,06
12
300
2,58
Р<sub>о</sub>
1
Р<sub>лт</sub>
>10<sup>-3</sup>
3,46
Р<sub>о</sub>
1
Р<sub>лт</sub>
>10<sup>-3</sup>
6,1
Р<sub>о</sub>
1
Р<sub>лт</sub>
>10<sup>-3</sup>
500
4,4
Р<sub>о</sub>
1
Р<sub>лт</sub>
>10<sup>-3</sup>
5,9
Р<sub>о</sub>
1
Р<sub>лт</sub>
>10<sup>-3</sup>
9,5
Р<sub>о</sub>
1
Р<sub>лт</sub>
>10<sup>-3</sup>
1000
18,2
Р<sub>о</sub>
1
Р<sub>лт</sub>
>10<sup>-3</sup>
22,6
Р<sub>о</sub>
0,999
Р<sub>лт</sub>
0,001
39,8
Р<sub>о</sub>
0,997
Р<sub>лт</sub>
0,003
Результаты анализа данных, приведенных в таблицах 1, 2 позволяют сделать вывод о том, что эффективность предлагаемого способа значительно превышает эффективность способа-прототипа в условиях многолучевого распространения сигнала:
- по показателю отношения значений вероятностей правильного обнаружения вероятность правильного обнаружения для предлагаемого способа превышает вероятность правильного обнаружения для традиционного способа более чем на 22%;
- по показателю отношения мощностей отраженного сигнала после соответствующей обработки мощность отраженного сигнала после обработки предлагаемым способом снижается более чем в десять раз по сравнению с мощностью отраженного сигнала после обработки традиционным способом.
Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, приведена на фиг. 3, где обозначено:
1 - антенна;
2 - смеситель;
3 - полосовой фильтр;
4 - усилитель промежуточной частоты (УПЧ);
5 - гетеродин;
6 - электронный ключ;
7 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
8 - вычислительное устройство (ВУ);
9 - устройство управления.
Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные антенну 1, смеситель 2, полосовой фильтр 3, УПЧ 4, электронный ключ 6, АЦП 7 и вычислительное устройство 8, выход которого является выходом устройства. Кроме того, устройство содержит гетеродин 5, выход которого соединен со вторым входом смесителя 2, а также устройство управления 9, выход которого соединен с вторым входом электронного ключа 6. Вход антенны 1 является первым входом устройства, вход устройства управления 9 является вторым входом устройства.
Устройство работает следующим образом.
Приводится описание способа для случая работы на фиксированной частоте. Для случая работы с перестройкой частоты процесс осуществляется для каждой рабочей частоты так же как для фиксированной частоты.
Используют гармонический сигнал.
Вид модуляции - модуляция фазовым сдвигом (PSK) с неравномерной длительностью импульсов.
Считается, что во время вхождения в связь или при переходе на другую частоту осуществлена синхронизация, и положение во времени начала сигнала известно с достаточной точностью для обеспечения формирования отсчетов.
Аддитивную смесь сигнала и помехи с антенны 1 подают в смеситель 2, где осуществляют понижение или повышение частоты сигнала. Полученный сигнал фильтруют полосовым фильтром 3, полоса которого согласована с полосой сигнала. Затем аддитивную смесь сигнала и помехи усиливают в УПЧ 4. С выхода УПЧ 4 аддитивную смесь сигнала и помехи подают в электронный ключ 6, на второй вход которого подают управляющее напряжение с выхода устройства управления 9.
Управляющее напряжение в устройстве управления 9 формируют в момент, когда на его вход подают управляющее напряжение с устройства управление радиостанцией (на фиг. 3 не показано), которое формируют в процессе синхронизации работы радиостанций, осуществляющих вхождение в связь, или в момент перехода на новую частоту.
Управляющее напряжение в устройстве управления 9 формируют так, что электронный ключ 6 открывается в начале и закрывается в конце каждого символа. Длительность управляющих импульсов устанавливают из условия обеспечения взятия соответствующего числа отсчетов в АЦП 7, на который подают напряжение с выхода электронного ключа 6.
Число отсчетов, используемых для представления сигнала, определяется путем математического моделирования или экспериментальным путем.
В вычислительном устройстве 8 умножают отсчеты на соответствующие сигнатуры и суммируют результаты умножения.
Принимают решение о наличии сигнала путем сравнения амплитуды суммарного сигнала с порогом, значение которого равно 0.
По результатам сравнения формируют соответствующие напряжения, которые подают на выход ВУ 8, например, при обнаружении сигнала формируют единичное напряжение, в случае, когда сигнал не обнаружен, формируют напряжение нулевого уровня.
Устройство управления 9 может быть реализовано, например, в виде устройства, структурная схема которого приведена на фиг. 4, где обозначено:
9.1 - программируемая логическая интегральная микросхема (ПЛИС);
9.2 -цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).
9.3 - усилитель.
Устройство управления 9 содержит последовательно соединенные ПЛИС 9.1, ЦАП 9.2 и усилитель 9.3, выход которого является выходом устройства управления 9, вход устройства управления 9, является вторым входом устройства (см. фиг. 3).
Устройство управления 9 работает следующим образом.
В ПЛИС 9.1 записано заранее установленное число, которое после того, как на вход ПЛИС 9.1 поступит управляющий сигнал с устройства управления радиостанцией, подают в ЦАП 9.2 в установленное заранее время. В ЦАП 9.2 число преобразуют в напряжение соответствующего уровня. Данное напряжение усиливают в усилителе 9.3 до необходимого уровня и подают его на выход устройства управления 9.
Эффективность - значения вероятностей обнаружения сигнала и ложной тревоги для различных вариантов обработки приведены выше в соответствующих таблицах 1 и 2.
Вычислительное устройство 8 может быть выполнено, например, на микросхеме TMS320VC5416 фирмы Texas Instruments (США).
АЦП 7 может быть выполнен, например, на микросхеме AD7495BR фирмы Analog Devices.
ПЛИС 9.1 может быть выполнена, например, на микросхеме XC2V3000-6FG676I фирмы Xilinx.
ЦАП 9.2 может быть выполнен, например, на микросхеме AD9957BSVZ фирмы Analog Devices.
Таким образом, описанное устройство может реализовать способ передачи дискретной информации по каналу связи с многолучевым распространением с использованием сигналов с модуляцией фазовым сдвигом с неравномерной длительностью импульсов, эффективность которого значительно превышает эффективность способа-прототипа.