Способ демодуляции сигналов
SIGNAL DEMODULATION METHOD

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к способам приема цифровых сигналов, передаваемых методом амплитудной манипуляции (АМ), и может быть реализовано в системах связи и передачи данных.
Известен «Способ демодуляции», см. (Дворников С.В., Осадчий А.И., Дворников С.С., Родин Д.В. Демодуляция сигналов на основе обработки их модифицированных распределений // Контроль. Диагностика. 2010. № 10. С. 46-54).
В известном способе на первом этапе рассчитывается матрица частотно-временного представления демодулируемого сигнала.
На втором этапе определяются фрагменты матрицы распределения, в пределах которых локализуется энергия сигнальных компонент.
На третьем этапе определяется уровень порога принятия решения.
На четвертом собственно и осуществляется демодуляция как процедура сравнения значений функции огибающей с величиной порога в каждый момент времени на основе дуального решения, т.е. есть пересечение или нет
Недостатком этого способа является ограниченность области применения, поскольку его реализация ориентирована только на демодуляцию сигналов частотной манипуляции. Кроме того, в указанном способе рассмотрен сам принцип демодуляции сигналов частотной манипуляции, поэтому в нем не раскрыты процедуры определения уровня порога принятия решения, существенные при демодуляции сигналов АМ.
Известен «Способ демодуляции сигналов с относительной фазовой демодуляцией» (Патент РФ № 2461119, H03D 3/02 (2006.01), H04L 27/00 (2006.01). Опубл.: 10.09.2012. Бюл. № 25).
m
n
n
R
l
R
R
Т
Т
R
R
l
l
min
l
l
В известном способе принимают сигнал S(t), фильтруют и выравнивают его амплитуду относительно заданного уровня, вычисляют параметры сигнала и сравнивают их с предварительно заданными пороговыми величинами, присваивают значение «единица» принятому информационному элементу, если расчетные параметры сигнала превысили заданную пороговую величину, в противном случае - «нуль». Причем для вычисления параметров из отфильтрованного сигнала с выровненной амплитудой формируют матрицу оконного преобразования Фурье (ОПФ) , где  - координата на оси частот,  - координата на оси времени, затем для каждого значения координаты на оси времени матрицы  определяют значение координаты на оси частоты , при которой матрица  каждый раз принимает максимальную величину, после чего формируют вектор модулируемого сигнала  для всех координат  по оси времени, затем из вектора  вычисляют вектор его средних значений , который принимают в качестве пороговой величины, а принятому информационному элементу присваивают значение «единица» или «нуль» по результатам сравнения между собой каждого значения вектора модулируемого сигнала  и величины вектора его средних значений , при этом на оси времени определяют числовые значения координат интервалов , на длительности которых выполняется условие , где  - порядковый номер интервала, затем вычисляют длительности интервалов , как разность между значениями координат, определяющих их границы на оси времени, и наименьшую из полученных разностей  определяют в качестве длительности демодулированного символа, после чего формируют функцию демодулированного сигнала Z(t), длительность посылок которой равна , считая, что со сменой каждого интервала  происходит изменение информационного элемента с значения «единица» на «нуль» или наоборот, причем значение информационного элемента сохраняется в пределах следующего интервала .
Недостатком этого способа является ограниченность области применения, поскольку его реализация не обеспечивает демодуляцию сигналов АМ в условиях аддитивных шумов в канале приема.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому способу является «Способ демодуляции сигналов» (Патент РФ № 2766877, H04L 27/00 (2006.01), H03D 3/02 (2006.01). Опубл.: 06.03.2022 Бюл. № 8).
В данном способе принимают сигнал, фильтруют, формируют матрицу ОПФ, затем для каждого значения координаты на оси времени матрицы определяют значение координаты на оси частоты, при которой матрица каждый раз принимает максимальную величину, и определяют ее текущей максимальной величиной, формируют вектор модулируемого сигнала для всех координат матрицы по оси времени, из вектора модулируемого сигнала вычисляют вектор его средних значений, который принимают в качестве пороговой величины, принятому информационному элементу присваивают значение «единица» или «нуль» по результатам сравнения между собой каждого значения вектора модулируемого сигнала и величины вектора его средних значений, на оси времени определяют числовые значения координат интервалов принятых информационных элементов, вычисляют длительности интервалов как разность между значениями координат, определяющих их границы на оси времени, и наименьшую из полученных разностей определяют в качестве длительности демодулированного символа. Причем рассчитывают среднеквадратическое отклонение (СКО) значений матрицы ОПФ для каждого значения координаты на оси времени матрицы, и для каждого значения координаты на оси времени, матрицы сравнивают утроенное значение ее СКО, рассчитанных для текущего значения координаты на оси времени матрицы с ее текущей максимальной величиной, присваивают единичное значение всем значениям матрицы для текущего значения координаты на оси времени, если ее текущая максимальная величина превысит утроенное значение ее СКО, рассчитанных для текущего значения координаты на оси времени, и присваивают нулевое значение всем значениям матрицы для текущего значения координаты на оси времени, если ее текущая максимальная величина не превысит утроенное значение ее СКО, рассчитанных для текущего значения координаты на оси времени, а вектор модулируемого сигнала для всех координат матрицы по оси времени формируют только для крайних значений координат матриц на оси частоты.
Недостатком этого способа является ограниченность области применения, поскольку его реализация не обеспечивает демодуляцию сигналов АМ в условиях аддитивных шумов в канале приема.
Задачей изобретения является формирование модифицированной матрицы ОПФ, элементами которой для каждой координаты на оси времени являются вектора, рассчитываемые как результат вычисления значений числа два, показателем степени которого являются векторы модулей частотных значений исходной матрицы ОПФ.
Техническим результатом является обеспечение возможности демодуляции сигналов АМ в условиях аддитивных шумов в канале приема.
Технический результат достигается тем, что способе демодуляции сигналов принимают сигнал, фильтруют, формируют матрицу ОПФ, формируют вектор сигнала для каждой координаты матрицы по оси времени, вычисляют вектор средних значений из элементов вектора сигнала, который принимают в качестве пороговой величины, формируют вектор принятого информационного сигнала, которому присваивают значение «единица» или «нуль» по результатам сравнения между собой значений каждой координаты на оси времени вектора демодулированного сигнала и вектора средних значений, определяют числовые значения координат на оси времени, ограничивающие интервалы принятых информационных элементов, вычисляют длительности интервалов, как разность между значениями координат, определяющих их границы на оси времени, определяют длительность демодулированного символа, дополнительно вычисляют векторы модулей из векторов частотных значений, соответствующих значению каждой координаты на оси времени сформированной матрицы ОПФ; формируют новые вектора частотных значений как результат расчета числа два, показателем степени которого являются вычисленные векторы модулей; формируют модифицированную матрицу, элементами которой для каждой координаты на оси времени являются новые вектора частотных значений; а вектор сигнала для каждой координаты матрицы по оси времени формируют из крайних значений координат матриц на оси частоты; формируют вектор демодулированного сигнала путем инвертирования элементов вектора сигнала; группируют интервалы принятых информационных элементов между собой по близости значений их длительностей с учетом кратности; а длительность демодулированного символа определяют как результат среднего значения всех наименьших значений сгруппированных интервалов.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе обеспечивается возможность демодуляции сигналов АМ в условиях аддитивных шумов в канале приема.
Достижение заявляемого эффекта объясняется следующим. В виду случайного характера проявления аддитивных шумов, применение операции нормирования элементов матрицы ОПФ не позволяет получать четкий контур функции огибающей, пригодный для демодуляции сигналов АМ.
Вместе с тем применение технической операции (далее определим ее как показательное преобразование), при которой формируется модифицированная матрица ОПФ, обеспечит получение четкого контура функции огибающей, пригодного для демодуляции сигналов АМ. У модифицированной матрицы ОПФ элементами являются значения, получаемые как результат расчета числа два, показателем степени которого являются вычисленные векторы модулей исходной ОПФ.
Эффект, достигаемый в результате применения технической операции заявляемого способа, объясняется тем, что операция показательного преобразования приводит к усилению различий между сигнальными и шумовыми компонентами до такой степени, что у формируемой функции огибающей элементов матрицы ОПФ получается четкий контур, пригодный для демодуляции сигналов АМ.
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:
фиг. 1, где изображен фрагмент временного представления сигнала АМ s1(t) в канале без аддитивных шумов;
фиг. 2, где изображен фрагмент временного представления сигнала АМ s1(t), в канале с аддитивными шумами, сигнал в шумах обозначен как s2(t);
фиг. 3, где изображен фрагмент матрицы ОПФ  сигнала АМ s2(t) в канале с аддитивными шумами, сформированной в соответствии с техническим решением, представленном в способе-прототипе;
W
t
f
0
фиг. 4, где изображен фрагмент матрицы ОПФ (, ) сигнала АМ s2(t) в канале с аддитивными шумами, сформированной в соответствии с техническим решением, представленном в заявляемом способе;
W
t
f
f
f
f
W
t
f
0
0
0
0
фиг. 5, где изображен вектор демодулированного сигнала s(t), сформированный из крайних значений координат матрицы ОПФ (, ) ( = , где здесь и далее  – самая первая (крайняя) частотная позиция в матрице (, )), и показана пунктирная линия M1, соответствующая значению вектора его средних значений;
f
F
F
фиг. 6, где изображен вектор демодулированного сигнала s3(t), сформированный из центральных значений координат матрицы ОПФ  ( = /2, здесь  – количество частотных позиций матрицы ОПФ ), и показана пунктирная линия M2, соответствующая значению вектора его средних значений;
f
фиг. 7, где изображен вектор демодулированного сигнала s4(t), сформированный из крайних значений координат матрицы ОПФ  ( = 0) и вектор его средних значений M2.
Демодуляция сигналов АМ известна, например, см. (Б. Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2003, 1114 с.) и (Погорелов А.А., Литкевич Г.Ю., Власенко В.И. и др. Обоснование выбора порога цифрового демодулятора амплитудно-манипулированных сигналов в райсовском канале // Вопросы радиоэлектроники. Серия: Техника телевидения. 2022. № 1. С. 86-93.).
Переход к представлению принятого сигнала s2(t) на основе ОПФ обусловлен следующим фактом. Только частотно-временное представление наиболее полно характеризует исследуемый сигнал на длительности интервала его наблюдения, см. стр. 65 (Дворников С.В., Кудрявцев А.М. Теоретические основы частотно-временного анализа кратковременных сигналов: монография. СПб.: ВАС, 2010. 240 с.).
При реализации процедуры ОПФ происходит усреднение энергии в пределах окна анализа, поэтому данное свойство целесообразно использовать для демодуляции сигналов АМ, см. (Дворников С.В., Сауков А.М. Модификация частотно-временных описаний нестационарных процессов на основе показательных и степенных функций // Научное приборостроение. 2004. Т. 14. № 3. С. 76-85).
Сигналы АМ в каналах без аддитивных шумов, см. s1(t) на фиг. 1, могут быть демодулированы и на основе технического решения представленного в способе-прототипе, поскольку сигнал имеет четкие границы между элементами, характеризующими информационные значения «0» и «1».
Однако в каналах с аддитивными шумами, см. сигнал s2(t) на фиг. 2, границы между элементами, характеризующими информационные значения «0» и «1», теряют четкость очертаний.
В этом случае техническое решение, представленное в способе-прототипе, не позволит правильно демодулировать сигнал s2(t), поскольку функции огибающей вектора временных отсчетов, формируемого для любых значений координат матриц на оси частоты, не имеют четкого контура, пригодного для демодуляции обрабатываемого сигнала s2(t).
В качестве примера на фиг. 3 показана матрица ОПФ  сигнала s2(t), сформированная на основе технического решения, представленного в способе-прототипе.
W
t
f
0
Вместе с тем матрица ОПФ (, ) сигнала s2(t), см. фиг. 4, сформированная на основе заявляемого технического решения, имеет четко очерченные контуры между элементами, характеризующих информационные значения «0» и «1».
W
t
f
f
f
0
0
В подтверждение факта возможности демодуляции сигналов АМ на основе заявляемого технического решения, на фиг. 5 представлен вектор демодулированного сигнала s(t), сформированный из крайних значений координат матрицы ОПФ (, ) ( = ) и линия M1, соответствующая значению вектора его средних значений, построенные в соответствии с заявляемым техническим решением. Здесь же показаны положения информационных значений «0» и «1», соответствующие представленным на фиг. 1.
f
F
F
На фиг. 6 представлен вектор демодулированного сигнала s3(t), сформированный в соответствии с техническим решением способа-прототипа из центральных значений координат матрицы ОПФ  ( = /2, здесь  – количество частотных позиций матрицы ОПФ ) и линия M2, соответствующая значению вектора его средних значений.
А на фиг. 7 представлен вектор демодулированного сигнала s4(t), сформированный в соответствии с техническим решением заявляемого способа из крайних значений координат матрицы ОПФ . На фиг. 6 и 7 также показаны положения информационных значений «0» и «1», соответствующих представленным на фиг. 1.
Очевидно, что если использовать матрицу ОПФ , то технические решения ни способа-прототипа, ни заявляемого способа, не позволят получить для рассматриваемых условий вектор демодулированного сигнала, способного обеспечить демодуляцию сигнала АМ без ошибок.
Представленный пример раскрывает физическую сущность заявляемого технического решения.
Реализация заявленного способа объясняется следующим образом.
1. Принимают сигнал.
Процедуры приема аналогового сигнала известны, и, например, рассмотрены в (Способ распознавания радиосигналов, Патент RU № 2356064, Опубликовано: 20.05.2009. Бюл. № 14).
2. Фильтруют.
Процедуры фильтрации аналогового сигнала известны, и, например, рассмотрены в (Способ распознавания радиосигналов, Патент RU № 2423735, Опубликовано: 10.07.2011 Бюл. № 19).
3. Формируют матрицу оконного преобразования Фурье.
Процедуры формирования матрицы ОПФ из значений обрабатываемого сигнала известны, и, например, рассмотрены в (Дворников С.В. Теоретические основы синтеза билинейных распределений. СПб.: ВАС, 2007. 268 c.).
4. Вычисляют векторы модулей из векторов частотных значений, соответствующих значению каждой координаты на оси времени сформированной матрицы ОПФ.
W
t
f
f
t
Т
W
t =
f
W
t =
f
W
t = Т
f
Т
0
Векторы частотных значений представляют собой вектора, получаемые последовательно из матрицы ОПФ (, ) при фиксированных значениях . Если в матрице ОПФ значение  изменяется от нуля до , то первый вектор частотных значений будет равен (0, ), второй будет равен (1, ) и т.д. до последнего (, ). На фиг. 1, 2, 5, 6, 7 временные позиции имеют значения от 0 до 126, т.е.  = 126.
Способ вычисления модуля известен, см. (Способ демодуляции сигналов с относительной фазовой модуляцией (варианты), Патент RU № 2454014, Опубликовано: 20.06.2012 Бюл. № 17).
5. Формируют новые вектора частотных значений как результат расчета числа два, показателем степени которого являются вычисленные векторы модулей.
Данная техническая реализация заключается в следующем.
V
f
f
F
f
F
f
, f
, …, f
F
t
=
0
0
1
F
Если обозначить первый вектор модуля как  () и полагать, что параметр   изменяется от нулевой позиции до позиции , то первый элемент первого нового вектора частотных значений будет определяться как , второй как , и так до значения  = , . (Здесь  – частоты, соответствующие частотным позициям 0, 1, … ).
Реализовать данную процедуру возможно на основе усилителей, путем выбора соответствующего коэффициента усиления.
Аналогичным образом формируются элементы и остальных новых векторов.
6. Формируют модифицированную матрицу, элементами которой для каждой координаты на оси времени являются новые вектора частотных значений.
W
t
f
0
Данная операция осуществляется путем соответствующей замены векторов в матрице ОПФ. Пример модифицированной матрицы (, ) представлен на фиг. 4.
7. Формируют вектор сигнала для каждой координаты матрицы по оси времени для крайних значений координат матриц на оси частоты.
Вектор сигнала формируют из соответствующих значений модифицированной матрицы.
W
t
f
W
t
f = f
0
0
0
Для матрицы (, ) сигнальный вектор формируется из координат всех временных позиций, соответствующих нулевой частотной позиции. Такой вектор можно обозначить как (, ).
f
f
f
f
f
f
f
0
0
1
0
0
1
0
Реализовать данную процедуру возможно путем фильтрации посредством фильтра на частоте , с полосой пропускания[– ((– )/2); + ((– )/2)]. Процедуры такой фильтрации известны, см. (Способ распознавания радиосигналов. Патент RU № 2356064, G01S 7/00 (2006.01). Опубликовано: 20.05.2009 Бюл. № 14).
8. Формируют вектор демодулированного сигнала, путем инвертирования элементов вектора сигнала.
Пример вектора демодулированного сигнала показа на фиг. 5.
Процедуры инверсии известны, см. (Способ и устройство формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции. Патент RU № 2439819, H04L 7/02 (2006.01). Опубликовано: 10.01.2012 Бюл. № 1).
9. Вычисляют вектор средних значений из элементов вектора сигнала, который принимают в качестве пороговой величины.
10. формируют вектор принятого информационного сигнала, которому присваивают значение «единица» или «нуль» по результатам сравнения между собой значения каждой координаты на оси времени вектора демодулированного сигнала и вектора средних значений.
11. Определяют числовые значения координат на оси времени, ограничивающие интервалы принятых информационных элементов.
12. Вычисляют длительности интервалов, как разность между значениями координат, определяющих их границы на оси времени.
Реализация технических процедур п. 9 – 12 аналогична процедурам в способе-прототипе.
13. Группируют интервалы принятых информационных элементов между собой по близости значений их длительностей с учетом кратности.
Поскольку в заявляемом способе демодуляция сигнала происходит в условиях аддитивных шумов, то интервалы принятых информационных элементов могут отличаться между собой из-за возникающих ошибок. А также они могут отличаться ввиду следования информационных символов с одинаковыми значениями «0» или «1» один за другим.
Для примера, представленного на фиг. 5, интервалы, соответствующие информационным символам «1», составили 14, 13 и 15 временных отсчетов. А соответствующие информационным символам «0», составили 14, 28, 28, 14.
Тогда в соответствии с п. 14 группировка интервалов будет следующей: 14, 14, 13, 15, 14 и 28, 28.
14. Определяют длительность демодулированного символа как результат среднего значения наименьших значений сгруппированных интервалов.
Процедуры нахождения среднего значения известны, см. («Способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов», Патент РФ № 2419968, H04B 1/10 (2006.01). Опуб.: 27.05.2011, Бюл. № 15).
Для рассмотренного примера длительность демодулированного символа составит 14 временных отчетов, что соответствует действительности, см. фиг 1.
.
Аналогичные технические операции, применяемые к s3(t) и s4(t) не позволяют получить демодулированные значения, соответствующие s1(t). Данный факт указывает на достижение задачи и технического результатазаявляемого способа
Таким образом, благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе обеспечивается демодуляция сигнала АМ в условиях аддитивных шумов в канале приема.