Способ обмена информацией с использованием модуляции частотным сдвигом и когерентным накоплением сигнала
INFORMATION EXCHANGE METHOD USING MODULATION OF FREQUENCY SHIFT AND COHERENT SIGNAL ACCUMULATION

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 невысокая эффективность в условиях воздействия помех.
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 низкая эффективность в условиях воздействия помех.
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 М ортогональных сигналов равной энергии. Данные сигналы различаются по частоте
Здесь: m=1, 2, …, М;
ε - энергия сигнала;
Т - 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 М 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 S в 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, которая объясняется широким спектром сигнала, а так же большая вычислительная сложность, связанная с необходимостью вычисления корреляционных метрик.
Задача предлагаемого способа - повышение эффективности выделения сигнала в условиях воздействия помех и снижение вычислительной сложности с целью повышения скорости обмена информацией.
Для устранения указанного недостатка в способе обмена информацией с использованием модуляции частотным сдвигом и когерентным накоплением сигнала, заключающемся в том, что формируют сигнал, состоящий из нескольких гармонических сигналов, с использованием модуляции с частотным сдвигом (FSK), на этапе вхождения в связь осуществляют синхронизацию средств связи, согласно изобретению, устанавливают заранее значения частотных сдвигов между соседними сигналами; поступающую на вход приемника аддитивную смесь сигнала и помехи преобразуют в цифровой вид в соответствующих аналого-цифровых преобразователях (АЦП); формируют в цифровом виде n групп отсчетов, при этом в первую группу включают отсчеты, которые берут с частотой, значение которой равно удвоенному значению частоты первой гармонической составляющей сигнала, во вторую группу включают отсчеты, которые берут с частотой, значение которой равно удвоенному значению частоты второй гармонической составляющей сигнала, в n-ую группу включают отсчеты, которые берут с частотой, значение которой равно удвоенному значению частоты n-ой гармонической составляющей 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.
fij
Сигналы формируют как сумму n гармонических сигналов (поднесущих) с различными частотами с использованием модуляции частотным сдвигом. Значения соседних частот отличаются на некоторую величину Δ.
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.
На этапе вхождения в связь осуществляют синхронизацию сигнала, любым известным методом, например, путем обработки используемой кодовой последовательности.
Число гармонических составляющих n, используемых при формировании сигнала, определяют исходя из заданной скорости обмена и уровня помехоустойчивости линии связи.
Формируют в цифровом виде n групп отсчетов поступающей на вход приемника аддитивной смеси сигнала и помехи.
Преобразование в цифровой вид осуществляют в соответствующих аналого-цифровых преобразователях (АЦП).
Группы отсчетов берут следующим образом. Первая группа - в группу включают отсчеты, которые берут с частотой, значение которой равно удвоенному значению частоты первой гармонической составляющей сигнала. Вторая группа - в группу включают отсчеты, которые берут с частотой, значение которой равно удвоенному значению частоты второй гармонической составляющей сигнала, и т.д., n-ая группа - в группу включают отсчеты, которые берут с частотой, значение которой равно удвоенному значению частоты n-ой гармонической составляющей сигнала.
Число отсчетов, образующих группы, определяют на этапе разработки экспериментальным путем или методом математического моделирования, как число, обеспечивающее максимальный уровень помехоустойчивости при заданной скорости обмена информацией.
o
o
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 берут с положительным знаком. 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).
Сигналы на выходах пороговых устройств представляют собой параллельный код принятой информации.
В таблице 1 приведены результаты моделирования процесса суммирования отсчетов, входящих в различные группы отсчетов.
Моделирование осуществлялось для следующих исходных данных:
- число гармонических составляющих сигнала - 12;
- число отсчетов - 10;
- значения частот гармоник (в условных единицах): 2,0; 2,1; 2,2; 2,3; 2,4; 2,5; 2,6; 2,7; 2,8; 2,9; 3,0; 3,1;
- амплитуда любого гармонического сигнала равна 1.
На основе анализа данных, приведенных в таблице 1, могут быть сделаны следующие выводы:
- при наличии кратных частот результат когерентного накопления одинаков (частота №1 и №11, строка 1 - взятие отсчетов с частотой №1), то есть кратные частоты не могут использоваться в качестве рабочих частот;
- значение суммарного сигнала, когда отсчеты берутся с частотой, соответствующей сигналу, превышает уровни суммарных сигналов, когда отсчеты берутся с частотой не соответствующей сигналу («боковые лепестки»), более чем в 20 раз для положительных значений уровней «боковых лепестков».
Проведено моделирование процесса обнаружения многочастотного сигнала с модуляцией частотным сдвигом и когерентным накоплением.
pi
pi
Помеха при моделировании представлена в виде аддитивного белого гауссовского шума (АБГШ), т.е. совокупности гармонических колебаний со случайными значениями амплитуд (U) и фаз (ϕ), которые распределены по нормальному (амплитуды) и равномерному (фазы) законам (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. 51)
pi
pi
pi
где: ω, ϕ, U - частота, фаза и амплитуда i-ой составляющей помехи, соответственно;
Nsp - число гармонических составляющих помехи, используемых для ее представления.
Частоты составляющих помехи моделировались как случайные величины, значения которых распределены по равномерному закону, в полосе сигнала.
Отсчеты шума являются независимыми случайными величинами.
Результаты оценки эффективности предлагаемого способа получены методом математического моделирования на ЭВМ с использованием системы MATLAB.
При моделировании использовались следующие исходные данные:
- число реализаций - 1000;
- число гармонических сигналов - 8;
- значения частот гармоник (в условных единицах): 2,0; 2,1; 2,2; 2,3; 2,4; 2,5; 2,6; 2,7;
- амплитуда гармонических сигналов - 1;
- число составляющих помех - 1000;
- число отсчетов - 10.
-3
Результаты моделирования процесса принятия решения о наличии сигнала для предлагаемого способа - для отношения мощностей помехи к мощности сигнала 5,8 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.
Значения частот гармоник (в условных единицах) для способа-прототипа: 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9.
То есть чувствительность приемника средства связи, в котором реализован предлагаемый способ, в 10 раз ниже чувствительности приемника средства связи, в котором реализован способ-прототип.
Кроме того, вычислительная сложность предлагаемого способа в десятки раз ниже вычислительной сложности способа-прототипа. Так, например, при использовании восьми частот и десяти отсчетов (накопление сигнала в течение пяти периодов), для предлагаемого способа необходимо использовать 80 операций сложения, т.е. около 160 элементарных операций.
Для способа-прототипа при таком же накоплении сигнала (пять периодов) необходимо использовать не менее десяти отсчетов на период - суммарно 50 отсчетов, и для получения корреляционных метрик необходимо использовать порядка 400 операций умножения и 400 операций сложения, т.е. около 3200 элементарных операций.
Таким образом, вычислительная сложность предлагаемого способа ниже вычислительной сложности способа-прототипа практически в 20 раз. Это позволит примерно во столько же раз повысить скорость обмена данными при использовании предлагаемого способа.
Скорость обмена информацией при использовании предлагаемого способа ограничивается двумя факторами:
- скорость работы АЦП;
- тактовая частота используемого процессора.
fп
Скорости обмена информацией при использовании заявляемого способа с учетом ограничивающих факторов и при условии, что обработка ведется параллельно в N (число поднесущих частот) каналах, рассчитаны по следующей методике.
Скорость обмена информацией с учетом быстродействия АЦП рассчитывается по формуле
обра
Здесь: V - скорость обработки в АЦП;
бfп
fп
N - число, в которое увеличивается скорость обмена за счет использования некоторого числа поднесущих частот (N).
Скорость обработки в АЦП рассчитывается по формуле
o
где N - число используемых отсчетов.
Скорость обмена информацией с учетом значения тактовой частоты (быстродействия) процессора рассчитывается по формуле
обрп
Здесь: V - скорость обработки в процессоре;
бfп
fп
N - число, в которое увеличивается скорость обмена за счет использования некоторого числа поднесущих частот (N).
Скорость обработки в процессоре рассчитывается по формуле
п
где: F - тактовая частота процессора;
эо
N - число элементарных операций, используемых в алгоритме обнаружения наличия или отсутствия сигнала с некоторой частотой.
Число элементарных операций рассчитывается по формуле
осл
где: N - число операций сложения отсчетов;
ocp
N - число операций сравнения суммы отсчетов с порогом;
эо
K - коэффициент, учитывающий увеличение числа операций, при использовании какой-либо математической операции.
При расчетах использовались следующие значения переменных:
осл
N - равно числу используемых отсчетов;
оср
N - 1;
эо
K - 2.
В таблице 2 приведены результаты расчета скорости обмена информацией для различных ограничивающих факторов и различных значений параметров способа.
Расчеты проводились для следующих значений ограничивающих факторов:
- скорость работы АЦП - 200 Мбит/с;
9
- тактовая частота используемого процессора 10 Гц.
Обработку осуществляют на промежуточной частоте 100 МГц.
На основе анализа данных, приведенных в таблице 2, могут быть сделаны следующие выводы:
- фактором, ограничивающим скорость обмена информацией, является быстродействие АЦП;
- при использовании одного периода сигнала (2 отсчета) и 32 поднесущих частот может быть обеспечена скорость обмена информацией около 500 Мбит/с.
Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, приведена на фиг. 1, 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 - блок сложения;
4 - устройство управления (УУ);
5.1-5.n - аналого-цифровые преобразователи (АЦП) с первого по n-ый;
6.1-6.n - сумматоры с первого по n-ый;
7.1-7.n - пороговые устройства с первого по n-ый.
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 соединены с соответствующими входами блока сложения 3, выход которого является первым выходом устройства. (n+1)-ый выход устройства управления 4 соединен с управляющими входами генераторов гармонического сигнала 1.1-1.n. Выходы с первого по n-ый устройства управления 4 соединены с управляющими входами электронных ключей с 2.1 по 2.n соответственно. Вход устройства управления 4 является первым входом устройства, на который поступают входные данные в цифровом виде.
Кроме того, устройство содержит n параллельных цепей, каждая из которых состоит из соответствующих последовательно соединенных АЦП 5.1-5.n, сумматора 6.1-6.n и порогового устройства 7.1-7.n. При этом входы АЦП 5.1-5.n объединены и являются вторым входом устройства, на который поступают входные сигналы, а выходы пороговых устройств 7.1-7.n - выходами устройства со второго по (n+1) соответственно. При этом пороговые устройства 7.1-7.n имеют вторые входы для подачи порогового напряжения.
Устройство работает следующим образом.
На первый вход устройства поступают входные данные в цифровой форме. Если данные поступают в последовательном виде, то в устройстве управления 4 их преобразуют в параллельный вид в соответствии с числом используемых частот.
При поступлении в устройство управления 4 входных данных в нем формируют сигналы управления, которые представляют собой периодическую последовательность импульсов, которые поступают на управляющие входы генераторов гармонических сигналов 1.1-1.n и обеспечивают генерацию гармонических сигналов соответствующих частот.
Сигналы с выходов генераторов 1.1-1.n поступают на входы электронных ключей 2.1-2.n соответственно, которые 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, которые формируются в устройстве управления 4 в соответствии с входными данными.
Сигналы с выходов электронных ключей 2.1-2.n поступают на соответствующие входы блока сложения 3, где складываются аналоговым способом. Сформированный сигнал поступает на первый выход устройства, который может быть подключен к передатчику любого известного типа.
Далее сигнал передают по любому известному каналу передачи информации (воздух, вода, провод 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 приемника (на фиг. не изображен), разветвляют и подают на входы АЦП 5.1-5.n, где смесь сигнала и помехи преобразуют в цифровую форму.
Отсчеты в АЦП 5.1-5.n берут следующим образом.
В первом АЦП 5.1 отсчеты берут с частотой, значение которой равно удвоенному значению частоты первого гармонического сигнала. Во втором АЦП 5.2 отсчеты берут с частотой, значение которой равно удвоенному значению частоты второго гармонического сигнала, и т.д. В n-ом АЦП 5.n отсчеты берут с частотой, значение которой равно удвоенному значению частоты n-го гармонического сигнала.
Отсчеты с первого по n-ый АЦП 5.1-5.n поступают соответственно в сумматоры 6.1-6.n с первого по n-ый, в которых осуществляется суммирование отсчетов.
o
o
Отсчеты берут следующим образом. 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.
В сумматорах 6.1-6.n рассчитывают суммы отсчетов для соответствующих групп отсчетов. При суммировании отсчеты с отрицательным значением берут с положительным знаком. С выходов сумматоров 6.1-6.n значения сумм отсчетов поступают соответственно в пороговые устройства 7.1-7.n, где сравниваются с установленным порогом.
Значение порога устанавливают любым известным способом исходя из условия, что вероятность ложной тревоги не превышает заданный уровень (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).
В случае, когда значение суммы отсчетов превышает порог в каком-либо пороговом устройстве 7.1-7.n, на его выходе появляется напряжение установленного значения, например, единичного уровня, в противном случае на выходе данного порогового устройства 7.1-7.n сохраняется исходное напряжение, например, нулевого уровня. То есть, на выходах пороговых устройств 7.1-7.n формируется напряжение, с использованием которого может быть сформирован   параллельный код принятой информации.
Результаты моделирования процесса принятия решения о наличии сигнала какой-либо частоты приведены выше.
АЦП 5.1-5.n могут быть выполнены, например, на микросхеме AD7495BR фирмы Analog Devices.
Сумматоры 6.1-6.n могут быть выполнены, например, на микросхеме TMS320VC5416 фирмы Texas Instruments (США).
Таким образом, заявляемый способ может быть реализован описанным устройством.
Эффективность предлагаемого способа по показателю отношение мощностей помехи и сигнала превышает эффективность способа-прототипа практически в 2 раза. При этом отношение ширины полосы сигнала, используемого в рассматриваемом способе, к ширине полосы сигнала, используемого в способе-прототипе, составляет около 0,1. То есть, чувствительность приемника средства связи, в котором реализован предлагаемый способ будет в 10 раз ниже чувствительности приемника средства связи, в котором реализован способ-прототип.
Вычислительная сложность предлагаемого способа ниже вычислительной сложности способа-прототипа в несколько десятков раз, что позволяет примерно во столько же раз повысить скорость обмена данными при применении данного способа.