Способ передачи дискретной информации по каналу связи с многолучевым распространением с использованием модуляции частотным сдвигом
METHOD FOR TRANSMITTING DISCRETE INFORMATION OVER A MULTIPATH COMMUNICATION CHANNEL USING FREQUENCY SHIFT MODULATION

Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в средствах связи.
Известны амплитудная и угловая модуляции, описанные в учебном пособии «Основы теории радиотехнических систем. Учебное пособие. // В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А. Е. Лимарев, Н.П. Мухин. Под ред. В.И. Борисова. Воронежский научно-исследовательский институт связи, 2004.», стр. 165 - 168, 170 - 174, соответственно, недостатком которых является недостаточно высокая эффективность в условиях воздействия помех, обусловленных многолучевым характером распространения радиоволн.
Известны способы цифровой обработки сигналов - с амплитудно-импульсной модуляцией (ASK), квадратурной амплитудной модуляцией (QAM), модуляцией фазовым сдвигом (PSK), описанные в книге «Прокис Джон, «Цифровая связь». Пер. с англ./Под ред. Д. Д. Кловского. - М.: Радио и связь. 2000, стр.: 148, 149; 150, 151; 151, 152, соответственно, недостатком которых является недостаточно высокая эффективность в условиях воздействия помех, обусловленных многолучевым характером распространения радиоволн.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является способ, который заключается в использовании модуляции с ортогональным частотным сдвигом (FSK) (мультиплексирование (уплотнение) с ортогональным частотным делением каналов (ОФДМ)) и выделения сигнала с использованием оптимального максимума правдоподобия детектора описанный в книге «Прокис Джон, «Цифровая связь». Пер. с англ./Под ред. Д. Д. Кловского. - М.: Радио и связь. 2000, стр 141, 208, 219-221, 593-596, принятый за прототип.
Способ-прототип заключается в следующем.
При использовании способа модуляции с частотным сдвигом формируют M ортогональных сигналов равной энергии. Данные сигналы различаются по частоте
Здесь: m=1,2…M;
0≤t ≤T;
- энергия сигнала;
T - период изменения сигнала, соответствующий минимальному значению частоты спектра сигнала;
c
f- частота сигнала;
Δf - частотный сдвиг между сигналами.
Эквивалентный низкочастотный сигнал определяют в виде
Эти формы сигналов характеризуются равной энергией и коэффициентом взаимной корреляцией, вещественная часть которого равна
km
Re(ρ)=0, когда Δf=1/(2T) и m ≠k.
Поскольку случай |m-k|≠1 соответствует соседним частотным интервалам, то Δf=1/(2T) представляет минимальную величину частотного разноса между смежными сигналами для ортогональности M сигналов.
На вход приемника поступает аддитивная смесь сигнала и помехи
s
где: U - сигнал, сформированный с использованием модуляции с частотным сдвигом;
p
U - помеха.
оп.i
После умножения на соответствующие опорные сигналы Sв блоках умножения и интегрирования интеграторами на выходах интеграторов образуется результат преобразования сигнала и помехи, т.е. умножения на опорный сигнал и интегрирования (корреляционные метрики):
is
ip
где K, K- коэффициенты преобразования сигнала и помехи соответственно, зависящие от вида используемой системы ортогональных функций.
В устройстве выбора по максимуму выбирается сигнал, соответствующий наибольшей корреляционной метрике.
Недостатком способа-прототипа является недостаточно высокая эффективность в условиях воздействия помех, обусловленных многолучевым характером распространения радиоволн, а так же большая вычислительная сложность, связанная с необходимостью вычисления корреляционных метрик.
Задача предлагаемого способа - повышение эффективности выделения сигнала в условиях воздействия помех, обусловленных многолучевым характером распространения радиоволн, и снижение вычислительной сложности с целью повышения скорости обмена информацией.
c1
1
c1
2
(n-1)
n
Для решения поставленной задачи в способе передачи дискретной информации по каналу связи с многолучевым распространением с использованием модуляции частотным сдвигом, заключающемся в том, что формируют сигнал с использованием модуляции с частотным сдвигом (FSK), состоящий из нескольких гармонических сигналов, на этапе вхождения в связь осуществляют синхронизацию средств связи, согласно изобретению, гармонические сигналы с различными частотами - N частот, передают последовательно во времени - информационные символы, значения частотных сдвигов между соседними сигналами и длительности сигналов устанавливают заранее, длительность каждого сигнала устанавливают так, чтобы отраженный сигнал не «накладывался» на сигнал той же частоты, поступающий по основному каналу, между информационными символами формируют «защитный» интервал, поступающую на вход приемника аддитивную смесь сигнала и помехи преобразуют в цифровой вид в соответствующем устройстве, формируют n групп отсчетов, при этом первую группу формируют в интервале времени (0 – t), здесь 0 соответствует началу символа, t - длительность первого сигнала, в первую группу включают отсчеты, которые берут с частотой, значение которой равно удвоенному значению частоты первого сигнала, вторую группу формируют в интервале времени (t - t), во вторую группу включают отсчеты, которые берут с частотой, значение которой равно удвоенному значению частоты второго сигнала, и т.д., n-ую группу формируют в интервале времени (t - t), в n-ую группу включают отсчеты, которые берут с частотой, значение которой равно удвоенному значению частоты n-ого сигнала; число отсчетов, используемое при формировании i-ой группы отсчетов, определяют как целую часть отношения длительности i-ого сигнала к величине периода i-ого сигнала, находят значения сумм отсчетов для каждой группы отсчетов, полученные значения сумм сравнивают с порогом, по результатам сравнения делают вывод о наличии или об отсутствии сигнала с соответствующей частотой.
Предлагаемый способ заключается в следующем.
На этапе вхождения в связь осуществляют синхронизацию сигнала, любым известным методом, например, путем обработки используемой кодовой последовательности.
Сигнал формируют в виде n гармонических сигналов (поднесущих) с различными частотами с использованием модуляции частотным сдвигом, которые последовательно передают во времени. Набор таких сигналов является информационным символом, который переносит информацию (иллюстративный пример приведен на фиг. 1, фиг. 2).
ij
Значения соседних частот отличаются на некоторую величину Δf.
Здесь i, j - номера соседних частот, j= i+1.
В общем случае значения частотных сдвигов могут быть любыми. Значения частотных сдвигов определяют на этапе разработки экспериментальным путем или методом математического моделирования, как значения, обеспечивающие максимальную степень помехоустойчивости при заданном уровне скорости обмена данными.
Поступающую на вход приемника аддитивную смесь сигнала и помехи преобразуют в цифровой вид в соответствующем аналого-цифровом преобразователе (АЦП).
Формируют n групп отсчетов:
первую группу формируют в интервале времени
c1
0 – t,
c1
здесь 0 соответствует началу символа, t - длительность первого сигнала,
в первую группу включают отсчеты, которые берут с частотой, значение которой равно удвоенному значению частоты первого сигнала;
вторую группу формируют в интервале времени
c1
2
t – t,
2
c1
здесь (t-t) - длительность второго сигнала,
во вторую группу включают отсчеты, которые берут с частотой, значение которой равно удвоенному значению частоты второго сигнала, и т.д.;
n-ую группу формируют в интервале времени
с(n-1)
cn
t - t,
cn
c(n-1)
где: (t-t) - длительность n-ого сигнала.
В n-ую группу включают отсчеты, которые берут с частотой, значение которой равно удвоенному значению частоты n-ого сигнала.
Число отсчетов, используемое при формировании i-ой группы отсчетов, определяют как целую часть отношения длительности i-ого сигнала к величине половины периода i-ого сигнала.
Находят значения сумм отсчетов для каждой группы отсчетов, при этом отсчеты, соответствующие отрицательной полуволне, инвертируют.
Длительность каждого сигнала устанавливают так, чтобы отраженный сигнал не «накладывался» на сигнал той же частоты, поступающий по основному каналу (иллюстративный пример приведен на фиг 2).
Под отраженным сигналом понимается сумма сигналов, которые распространяются по многолучевому каналу распространения сигнала.
В общем случае длительности сигналов могут быть различными. Длительности сигналов могут устанавливаться, например, таким образом, чтобы число используемых периодов сигналов было одинаковым для всех сигналов. В этом случае формируемые группы отсчетов будут включать одинаковое число отсчетов, и при условии, что амплитуды сигналов будут одинаковы суммы отсчетов, входящие в группы отсчетов будут также одинаковы. То есть вероятности обнаружения сигналов будут одинаковыми.
Число используемых гармонических сигналов N определяют на этапе разработки, исходя из заданной скорости обмена и уровня помехоустойчивости линии связи.
Между информационными символами формируют «защитный» интервал, исходя из условия, чтобы суммарная длительность информационного символа и «защитного» интервала была равна или превышала максимально-возможное значение времени задержки отраженного сигнала, увеличенное на длительность одного сигнала (иллюстративный пример приведен на фиг. 3).
Максимально-возможное значение времени задержки отраженного от земной поверхности сигнала определяют экспериментальным путем для используемых частот и предполагаемого характера местности, на которой будет размещаться средство связи.
При выполнении описанных условий, при обработке сигналов с некоторой частотой, суммарный отраженный сигнал будет состоять из суммы отраженных сигналов других частот (иллюстративный пример приведен на фиг. 2). При этом сигнал, приходящий по прямому каналу, будет обрабатываться когерентно, а отраженный сигнал - не когерентно (см., например, «Основы теории радиотехнических систем». Учебное пособие. // В. И. Борисов, В. М. Зинчук, А. Е. Лимарев, Н. П. Мухин. Под ред. В. И. Борисова. Воронежский научно-исследовательский институт связи, 2004, стр. 66).
Формируют n групп отсчетов поступающей на вход приемника аддитивной смеси сигнала и помехи.
о
о
Отсчеты берут так, что отсчеты с номерами k (k=1, 2, …N/2, N - число используемых отсчетов) берут в момент, когда сигнал принимает положительное максимальное значение. Отсчеты с номерами 2k берут в момент, когда сигнал принимает отрицательное максимальное значение.
Рассчитывают суммы отсчетов для каждой группы отсчетов. При суммировании отсчеты с отрицательным значением инвертируют.
Полученные значения сумм сравнивают с порогом. По результатам сравнения делают вывод о наличии или об отсутствии сигнала с соответствующей частотой.
Значение порога определяют как значение, обеспечивающее заданный уровень ложной тревоги, т.е. принятия решения о наличии сигнала при его отсутствии (см., например, учебное пособие «Основы теории радиотехнических систем». Учебное пособие. //В.И Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, Н.П. Мухин. Под ред. В.И. Борисова. Воронежский научно-исследовательский институт связи, 2004., стр. 57 - 58).
Моделирование осуществлялось с использованием «Программы оценки эффективности способа передачи дискретной информации по каналу связи с многолучевым распространением с использованием когерентного накопления частотно-манипулированных сигналов с временным разнесением», разработанной в системе MATLAB (Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2019611712.
При моделировании использовались следующих значения параметров:
- число гармонических составляющих (сигналов), образующих один информационный символ - 10;
- число отсчетов - 10;
- значения частот гармоник (в условных единицах): 1,0; 1,05; 1,1; 1,15; 1,2; 1,25; 1,3; 1,35; 1,4; 1,45;
- амплитуда любого гармонического сигнала равна 1;
- число отражающих участков - 400;
- значение коэффициента отражения от земной поверхности - 0,2;
- значение минимального времени задержки прихода сигнала, отраженного от земной поверхности - 0,05 мкс;
- значение максимального времени задержки прихода сигнала, отраженного от земной поверхности - 0,5 мкс;
- длительность сигнала - 0,05 мкс;
- значения частот гармоник (в условных единицах) для способа-прототипа: 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9.
Амплитуда отраженного от земной поверхности сигнала моделировалась как случайная величина, распределенная по нормальному закону. Фаза, отраженного от земной поверхности сигнала, и время задержки прихода сигнала, отраженного от земной поверхности, моделировались как случайные величины, распределенные по равномерному закону.
В таблице приведены результаты моделирования процесса суммирования отсчетов, для случая, когда присутствует один сигнал из сигналов, образующих информационный символ.
На основе анализа данных, приведенных в таблице, может быть сделан следующий вывод:
- значение суммарного сигнала, когда отсчеты берутся с частотой, соответствующей сигналу, превышает уровни суммарных сигналов, когда отсчеты берутся с частотой не соответствующей сигналу («боковые лепестки») от 2 до 50 раз для абсолютных значений уровней «боковых лепестков».
Проведено моделирование процесса обнаружения многочастотного сигнала с модуляцией частотным сдвигом и когерентным накоплением.
Результаты оценки эффективности предлагаемого способа получены методом математического моделирования на ЭВМ с использованием системы MATLAB.
Для наихудшего случая - для случая наличия всех сигналов (число сигналов 10), для сигнала № 10, получены следующие результаты моделирования процесса принятия решения о наличии сигнала для предлагаемого способа:
-3
- для отношения мощностей помехи, обусловленной многолучевым характером распространения радиоволн, к мощности сигнала - 5 и вероятности ложной тревоги 10 вероятность принятия правильного решения о наличии сигнала составляет 0,999.
-3
По результатам моделирования способа-прототипа для вероятности ложной тревоги равной 10, вероятности принятия правильного решения о наличии сигнала равной 0,999, отношение мощностей помехи и сигнала равно 3,1.
Таким образом, эффективность предлагаемого способа по показателю отношение мощностей помехи и сигнала превышает эффективность способа-прототипа практически в 2 раза. При этом отношение ширины полосы сигнала для рассматриваемого способа (0,7) к полосе сигнала, используемого для способа-прототипа (7) составляет 0,1.
То есть уровень шумов приемника средства связи, в котором реализован предлагаемый способ, снижается в 10 раз по сравнению с уровнем шумов приемника средства связи, в котором реализован способ-прототип.
Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, приведена на фиг. 4, где обозначено:
1.1 - 1.n - генераторы гармонических сигналов с первого по n-ый;
2.1 - 2.n - электронные ключи с первого по n-ый;
3 - устройство управления (УУ);
4 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
5 - вычислительное устройство.
Устройство содержит n параллельных цепей, каждая из которых состоит из соответствующих последовательно соединенных генератора гармонических сигналов 1.1-1.n и электронного ключа 2.1-2.n, при этом выходы электронных ключей с 2.1 по 2.n объединены и являются первым выходом устройства.(n+1)-ый выход устройства управления 3 соединен с управляющими входами генераторов гармонического сигнала 1.1-1.n. Выходы с первого по n-ый устройства управления 3 соединены с управляющими входами электронных ключей с 2.1 по 2.n соответственно. Вход устройства управления 3 является первым входом устройства. Кроме того, устройство содержит последовательно соединенные АЦП 4 и вычислительное устройство 5. Вход АЦП 4 является вторым входом устройства, выход вычислительного устройства 5 является вторым выходом устройства.
Устройство работает следующим образом.
При поступлении в устройство управления 3 входных данных в цифровой форме в нем формируют сигналы управления, которые представляют собой периодическую последовательность импульсов. Длительность этих импульсов равна длительности информационных символов. Эти импульсы подают на управляющие входы генераторов гармонических сигналов 1.1 - 1.n и, тем самым, обеспечивают генерацию гармонических сигналов соответствующих частот.
Также в устройстве управления 3 формируют управляющие импульсы в соответствии с передаваемой информацией, которую формируют, например, в виде бинарной числовой последовательности, которые подают на управляющие входы электронных ключей 2.1 - 2.n.
Сигналы с выходов генераторов 1.1 - 1.n поступают на входы электронных ключей 2.1 - 2.n соответственно. Электронные ключи 2.1 -2.n либо переходят в открытое состояние, либо остаются в закрытом состоянии в соответствии с управляющими сигналами, поступающими на управляющие входы электронных ключей 2.1 - 2.n с соответствующих выходов устройства управления 3.
Выходы электронных ключей 2.1 - 2.n объединены и являются первым выходом устройства, который может быть подключен к антенне радиостанции напрямую или через полосовой фильтр и усилитель (на фиг.4 не показаны). Далее сигнал передают по любому известному каналу передачи информации (воздух, вода и т.д.).
На этапе вхождения в связь осуществляют синхронизацию сигнала, любым известным методом, например путем обработки используемой кодовой последовательности.
Аддитивную смесь сигнала и помехи, поступающую с выхода линейной части приемника (на фиг. 4 не показана) подают на вход АЦП 4, где смесь сигнала и помехи преобразуют в цифровую форму.
Отсчеты в АЦП 4 берут с частотой, обеспечивающей достаточную эффективность когерентного накопления, например, 50 отсчетов за период для частоты с максимальным значением.
c1
1
Отсчеты подают в вычислительное устройство 5, где формируют n групп отсчетов, при этом первую группу формируют в интервале времени (0 – t, здесь 0 соответствует началу символа, t - длительность первого сигнала), в первую группу включают отсчеты, которые берут с частотой, значение которой равно удвоенному значению частоты первого сигнала,
c1
2
(n-1)
n
вторую группу формируют в интервале времени (t – t), во вторую группу включают отсчеты, которые берут с частотой, значение которой равно удвоенному значению частоты второго сигнала, и т.д., n-ую группу формируют в интервале времени (t – t), в n-ую группу включают отсчеты, которые берут с частотой, значение которой равно удвоенному значению частоты n-ого сигнала.
Рассчитывают суммы отсчетов для каждой группы отсчетов. При суммировании отсчеты с отрицательным значением инвертируют. Полученные значения сумм сравнивают с порогом.
В случае, когда значение суммы отсчетов превышает порог в вычислительном устройстве 5 формируют сигнал с амплитудой установленного значения, например, единичного уровня, в противном случае на выходе вычислительного устройства 5 сохраняется исходное напряжение, например, нулевого уровня. По результатам сравнения делают вывод о наличии или об отсутствии сигнала с соответствующей частотой.
Результаты моделирования процесса принятия решения о наличии сигнала какой-либо частоты приведены выше.
АЦП 4 может быть выполнен, например, на микросхеме AD7495BR фирмы Analog Devices или на микросхеме ADS8422 фирмы Texas Instruments.
Вычислительное устройство 5 может быть выполнено, например, в виде единого микропроцессорного устройства с соответствующим программным обеспечением, например процессора серии TMS320VC5416 фирмы Texas Instruments, или в виде программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) с соответствующим программным обеспечением, например, ПЛИС XCV400 фирмы Xilinx.
Таким образом, заявляемый способ может быть реализован описанным устройством.