Синтез устройства обработки частотно-манипулированных радиосигналов на фоне помех и анализ его характеристик

РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

С.Н. Ляшенко,

начальник Департамента информационных технологий, связи и защиты информации МВД России

А.Н. Глушков,

кандидат технических наук

Е.С. Герасименко

синтез устройства обработки частотно-манипулированных радиосигналов на фоне помех и анализ его характеристик

the synthesis of the device for processing a frequency-shift keyed radio signals in background noise and analysis of its characteristics

Рассматриваются вопросы синтеза устройства обработки частотно-манипулированных радиосигналов с непрерывной фазой и минимальным частотным сдвигом, приводится анализ характеристик его работы.

The problems of the synthesis of the device for processing a frequency-shift keyed signals with continuous phase and the minimum frequency shift are considered, the analysis of the characteristics of his work is given.

Введение. Проблема обработки сигналов и создания помехоустойчивой связи актуальна в системах радиосвязи, используемых органами внутренних дел. Устойчивость к различным видам искажений, повышение быстродействия и другие аспекты важны при обнаружении и детектировании радиосигналов.

Помехоустойчивость устройств приема и обработки сигналов важна при поиске новых видов манипуляции радиосигналов, новых способов их приема и обработки.

Вопрос обработки частотно-манипулированных сигналов достаточно актуален в настоящее время, так как для обеспечения высоких показателей качества работы систем радиосвязи органов внутренних дел необходимо оптимизировать существующие параметры этих устройств.

Цель работы — разработка устройства эффективной обработки сигналов с частотной манипуляцией, обеспечивающего улучшение спектральных и корреляционных характеристик.

Основная часть. При обработке частотно-модулированных сигналов кроме помехоустойчивости важно анализировать форму огибающей радиосигналов. Решение этой задачи повышает её трудоемкость и может привести к увеличению стоимости разработки устройств обработки.

Поэтапно задачу эффективной обработки сигнала можно представить следующим образом:

- разработка эффективных процедур синтеза частотно-манипулированных сигналов;

- разработка процедуры синтеза кодовых последовательностей и коэффициентов весовых фильтров сжатия частотно-манипулированных сигналов;

- оптимизация формы огибающей для апериодических частотно-манипулированных сигналов;

- оценка влияния искажений в канале передачи информации на характеристики частотно-манипулированных сигналов;

- разработка эффективной реализации цифровой обработки частотно-манипулированных сигналов.

Также нужно оптимизировать минимаксные кодовые последовательности для частотно-манипулированных сигналов методом покоординатного спуска по комбинированному критерию приближения. Процедура синтеза частотно-манипулированных сигналов с заданными корреляционными и спектральными свойствами, такими как концентрация в определенной полосе частот помехи, позволит эффективно решить проблему обработки частотно-манипулированных сигналов.

В [1] рассмотрено устройство демодуляции двоичных сигналов с частотной манипуляцией (СРБ8К). При демодуляции цифровых сигналов вычитающее устройство (ВУ) в схеме такого устройства необходимо заменить на решающее устройство (РУ), как показано на рис. 1, которое сравнивает отклики амплитудных демодуляторов (АДМ1 и АДМ2) в моменты прихода тактовых синхроимпульсов (ТСИ). Решающее устройство производит сравнение ¿1 и ¿2 или разности ъ с нулем:

г = ¿2 - ¿1.

Демодулятор т-позиционных частотно-манипулированных сигналов на базе амплитудных демодуляторов АДМ может быть реализован в соответствии со структурной схемой на рис. 2, а.

Каждый АДМк (к = 1, т) имеет собственную частоту квантования /т т , равную

/кв к = 4/0 к ,

где /ок — частота к-й позиции частотно-манипулированного сигнала. Отклики амплитудных

демодуляторов ¿^, к = 1, т, по тактовым синхроимпульсам (ТСИ) поступают в решающее устройство (РУ), которое по максимуму откликов формирует коды (номера частот) принятых символов V .

Для бинарных частотно-манипулированных сигналов с непрерывной фазой (СРБ8К) при условии, что длительность символа Т = N • Т, разность частот двоичных посылок / — / равна

/2 —/ = 2Д/ = А.

Рис. 1. Структурная схема устройства демодуляции цифровых сигналов

Рис. 2. Структурная схема демодулятора т-позиционных частотно-манипулированных сигналов на базе амплитудных демодуляторов

Частотная характеристика двоичного демодулятора, приведенная на рис. 1, по разностному отклику демодуляторов ¿2 — ¿^ с центральной частотой / = 10 МГц и N = 256 (Д/ = 19,6 кГц) показана на рис. 3, где Н/) — коэффициент передачи демодулятора. Решение о принятом символе принимается по знаку величины г = — .

Н{0

600 -№0 200 О

-200 --Ю0

n»2

\

_____,

\ X

ч

\ Лх

10

^МГц

Ш02 10.04 1006 1005

Рис. 3. Частотная характеристика двоичного демодулятора по разностному отклику демодуляторов ¿2 — ¿1 с центральной частотой /0 = 10 МГц и N = 256

Для четырехпозиционной частотной манипуляции (ЧМн) с непрерывной фазой m=4 структурная схема демодулятора показана на рис. 2, б. Частоты символов / , / , / , / выбираются с постоянным шагом (3) симметрично относительно центральной частоты / . Отклики амплитудных демодуляторов вычитаются,

| ¿12 = ¿2 — ¿^

[¿34 = ¿4 — ¿3,

и по знакам разностей в решающем устройстве принимаются решения о принятой частотной позиции. Для частот символов сигналов с CPFSK получим

/2 /1 /э /2 /4 /э •

На рис. 4 показаны частотные характеристики каналов 21 (сплошная линия), 22 (пунктир), 23 (штрихпунктирная линия) и 24 (точечная линия) для схемы рис. 2, б при /0=10 МГц и N = 256 .

600

400

300

0

7\ / \ т \ * 1 л 4 щ N=256

! / 1 / / \ ;» » 1 Ч V / \ \

/х \ * -Л " Л У?- \ ; Ч-Л о.

953  10

9 93 10

9.96 10

1 10

1 004 Ш

1.00 -10

1.012-10

'.Гц ,г

Рис. 4. Частотные характеристики каналов

Частотные характеристики Н12(/) и Н34(/) разностей 212 и 234 показаны на рис. 5 при тех же параметрах, что и на рис. 3. Видно, что при наличии одного из сигналов с частотами /, /, / или /4 реакция других каналов равна нулю.

н12Ш,н34(0

600 400 200 О -200 -400

-600' 9.92

/ n¿2 н34с0 -л

v ч

/

9.94

9.96

9.9В

10

10.02 10.04 10.06

^МГц

10.03

Рис. 5. Частотные характеристики Нх2(/) и Н34(/) разностей 212 и 2.

Как видно, частотные характеристики соседних каналов сильно перекрываются, но значения откликов на центральных частотах не равны нулю только для одного из каналов.

На рис. 6 представлены нормированные результаты имитационного моделирования демодулятора сигнала с бинарной СРБ8К при /0 = 10 МГц, N = 256, Т = N  Т0 = 25,6 мкс (У=Э9,1 кбод), А/ = 19,5 кГц (3). Его АЧХ показана на рис. 3. Пунктиром показан модулирующий сигнал, а точками — моменты принятия решения по импульсам тактовой синхронизации.

Рис. 6. Нормированные результаты имитационного моделирования демодулятора частотно-манипулированного сигнала

Как видно, рассмотренный демодулятор сигналов с СРБ8К выделяет принимаемые информационные символы с максимальной эффективностью.

Однако такие быстрые алгоритмы демодуляции имеют неудовлетворительные частотные характеристики для сигналов с минимальным частотным сдвигом (М8К и GMSK) при величине А/ равной

А/ =

4 N

пример показан на рис. 7.

т

ш

400

:оо о

-200 -400

v

к \

\ у ро чу

v Л

>.« Ш 9 Р5 1С 10.02 10.01 10.06 10.0»

^МГц

Рис. 7. Частотные характеристики для сигналов с минимальным частотным сдвигом (М8К и

GMSK) при величине А/, равной А/ =

/о

4 N

Таким образом, условие (6) при Т = N • Т приводит к сильному перекрытию частотных

характеристик амплитудных демодуляторов в схеме на рис. 1, что затрудняет разделение сигналов различных частотных посылок. Результаты имитационного моделирования демодулятора сигнала с бинарной М8К, аналогичные показанным на рис. 6, представлены на рис. 8. Как видно, при условии (6) резко (в 2,75 раза) падает амплитуда отклика демодулятора, что приведет к потере его помехоустойчивости.

Рис. 8. Результаты имитационного моделирования демодулятора сигнала

с бинарной М8К

Демодуляцию сигнала с М8К и GMSK можно реализовать и при

А/ = А 2N

(как для сигналов с СРБ8К согласно (3)), если выбрать длительность информационного символа равной

N • Т

Т =

2

то есть в два раза меньше продолжительности N • Т0 обрабатываемой выборки отсчетов. При

этом в амплитудных демодуляторах накапливаются отсчеты от двух информационных символов и если символы одинаковы, то отклик становится максимальным, а если противоположны, то они взаимно компенсируются и отклик равен нулю.

Результаты имитационного моделирования демодулятора сигнала с бинарной М8К при условии (8), аналогичные показанным на рис. 6 и рис. 8, представлены на рис. 9. Как видно, при обработке противоположных информационных символов амплитуда отклика в два раза меньше, чем для одинаковых символов. Решения можно принимать со смещением во времени на величину Т согласно (8), связь моментов тактирования показана на рис. 9 отрезками прямых линий.

Рис. 9. Связь моментов тактирования

В целом необходимо констатировать, что рассматриваемое устройство частотной демодуляции не оптимально для сигналов с М8К и GMSK.

Результаты имитационного моделирования демодулятора четырехкратной частотной манипуляции (Б8К), структурная схема которого показана на рис. 2,б, для модулирующей

последовательности £и (п — номер символа) на рис. 10 представлены на рис. 11 при

длительности модулирующего сигнала, равной 2NT0 (в два раза больше минимального

/

значения) без шумов при / = 10 МГц, N = 256 и А/ = ^¡^ = 19,53 кГц.

11 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Эп 1 -3 1 1 1 3 3 -1 3 -3 -3 3 -3 3 1 -1 -1 -1 -1

Рис. 10. Модулирующая последовательность Бп

Рис. 11. Результаты имитационного моделирования демодулятора

Точками на рис. 11 отмечены моменты принятия решения о принятом символе, рядом приведены значения символов в соответствии с рис. 9 для выбранной кодировки частот. На рис. 11,а показана зависимость разности откликов амплитудных демодуляторов АДМ1 и АДМ2 (рис. 2,б) Х1п = г 2 — г1 (сплошная линия) и модулирующего сигнала £и, принимаются решения о том, что принятый символ равен -3 или -1. На рис. 11б показаны аналогичные зависимости для амплитудных демодуляторов АДМ3 и АДМ4, X2п = г4 — г3 и принимаются решения о том, что

принятый символ равен 1 или 3.

В моменты принятия решения о принятом символе в одном из каналов Х1п или Х2п в другом имеются нулевые значения отклика, что свидетельствует об ортогональности обрабатываемых сигналов. Наблюдается слабое взаимное проникновение откликов Х1 и Х2.

На рис. 12 показаны аналогичные зависимости при длительности модулирующего сигнала, равной NT0 (минимальное значение для бинарного сигнала CPFSK). Как видно, и в этом

случае обеспечивается оптимальная демодуляция четырехпозиционного сигнала с частотной манипуляцией.

Рис. 12. Зависимости разности откликов амплитудных демодуляторов

Выводы. Разработанное устройство частотной демодуляции для сигналов с минимальным частотным сдвигом (МБК и GMSK) показывает хорошие характеристики при

N  Т /

длительности информационного сигнала Т = —, однако не оптимально при А/ = ,

так как в связи с сильным перекрытием частотных характеристик амплитудных демодуляторов затрудняется разделение сигналов различных частотных посылок.

Оптимальная демодуляция четырехпозиционного сигнала с частотной манипуляцией при использовании предложенного устройства обеспечивается в случае, если длительность модулирующего сигнала равна NT0 (минимальное значение для бинарного сигнала СРББК).

ЛИТЕРАТУРА

1. Глушков А. Н., Сидоров А. В., Хохлов Н. С. Помехоустойчивость цифрового устройства демодуляции дискретных сигналов с частотной модуляцией // Вестник Воронежского института МВД России. — 2015. — №1. — С. 273—277.

2. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. — М. : Радио и связь, 2006. — 608 с.

3. Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов. - СПб. : БХВ-Петербург, 2011. - 768 с.

REFERENCES

1. Glushkov A. N., Sidorov A. V., Hohlov N. S. Pomehoustojchivost' cifrovogo ustrojstva demoduljacii diskretnyh signalov s chastotnoj moduljaciej // Vestnik Voronezhskogo instituta MVD Rossii. — 2015. — №1. — S. 273—277.

2. Gonorovskij I. S. Radiotehnicheskie cepi i signaly. — M. : Radio i svjaz', 2006. — 608 s.

3. Sergienko A. B. Cifrovaja obrabotka signalov. - SPb. : BHV-Peterburg, 2011. — 768 s.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Ляшенко Сергей Николаевич. Начальник Департамента информационных технологий, связи и защиты информации МВД России. E-mail: lsn1967@yandex.ru

Россия, 119049, г. Москва, улица Житная, 16. Тел. (495) 667-73-13.

Глушков Алексей Николаевич. Доцент кафедры инфокоммуникационных систем и технологий. Кандидат технических наук.

Воронежский институт МВД России. E-mail: anglush@rambler.ru

Россия, 394065, г. Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-31.

Герасименко Евгений Сергеевич. Адъюнкт кафедры инфокоммуникационных систем и технологий.

Воронежский институт МВД России. E-mail: jenya35353@yandex.ru

Россия, 394065, г. Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-31.

Lyashenko Sergey Nikolaevich. Head of Department of information technologies, communications and information security of the Ministry of the Interior of Russia. E-mail: lsn1967@yandex.ru

Work address: Russia, 119049, Moscow, Zhitnaya Str. , 16. Tel. (495) 667-73-13.

Glushkov Alexey Nikolaevich. Assistant professor of the chair of Communication Systems and Technologies. Candidate of technical sciences.

Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia. E-mail: anglush@rambler.ru

Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-31.

Gerasimenko Evgeniy Sergeevich. Post-graduate cadet of the chair of Communication Systems and Technologies.

Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia. E-mail: jenya35353@yandex.ru

Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-31.

Ключевые слова: частотная манипуляция; цифровая двоичная модуляция; цифровая обработка сигнала; устройство обработки сигнала.

Key words: frequency shift keying; binary digital modulation; digital signal processing; signal processing

device.

УДК 621.391