УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ ВИДОВ МАНИПУЛЯЦИИ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована для распознавания видов манипуляции цифровых сигналов радиорелейных и спутниковых линий связи в процессе технического контроля.
Распознавание видов манипуляции цифровых сигналов является важным этапом технического контроля, позволяющим быстро и эффективно обеспечить демодуляцию и дальнейшую обработку цифровых потоков.
Известно [1] устройство для распознавания видов манипуляции цифровых сигналов (устройство для определения класса радиосигналов), содержащее фазовращатель, первый и второй фазовые детекторы, элемент задержки и электронно-лучевой индикатор.
Известное устройство обеспечивает визуальное распознавание сигналов с фазовой манипуляцией (ФМ). Простой состав позволил реализовать несложную процедуру распознавания, что особенно важно, например, для приемников технического контроля со сканирующей частотой настройки.
Недостатком устройства является низкая вероятность правильного распознавания видов манипуляции. Это объясняется низкой помехоустойчивостью и неработоспособностью при отсутствии скачков на 180°, в результате чего не обеспечивается распознавание сигналов с квадратурной амплитудой манипуляцией (КАМ), амплитудно-фазовой манипуляцией (АФМ), сигналов четырехфазной манипуляции со сдвигом периода (ФМ4 с) и с частотной манипуляцией (ЧМн).
Известно [2] устройство для распознавания видов манипуляции цифровых сигналов, содержащее два фазовых детектора, входы которых
через блок определения координат векторов сигнала подключены к входу графического индикатора, и генератор опорного сигнала, выход которого непосредственно соединен с вторым входом первого фазового детектора и через фазовращатель подключен к второму входу второго фазового детектора. Блок определения координат векторов сигнала выполнен в виде двух последовательных цепей, первая из которых содержит первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП), первый регистр памяти и второй регистр памяти, а вторая цепь содержит второй АЦП, третий регистр памяти и четвертый регистр памяти, причем выходы первого, второго, третьего и четвертого регистров памяти подключены к соответствующим входам вычислителя, предназначенного для вычисления фазовых скачков сигнала и расчета амплитудной гистограммы, второй выход вычислителя соединен с управляющими входами первого, второго, третьего и четвертого регистров памяти, а на входы дискретизации первого и второго АЦП и каждого регистра памяти подается сигнал с выхода узла дискретизации, при этом входы первого и второго АЦП являются соответствующими входами блока выделения координат векторов сигнала, а выход вычислителя - выходом блока выделения координат векторов сигнала.
Введение блока определения координат векторов контролируемого сигнала, его структурное исполнение и применение графического индикатора позволило обеспечить распознавание сигналов ФМ, ФМ со сдвигом периода, АФМ и КАМ. Повышена помехоустойчивость за счет корреляционной оценки величины фазовых скачков в квадратурах и статистической обработки сигналов.
Но при приеме многопозиционных сигналов вероятность правильного распознавания видов манипуляции низкая.
Это объясняется тем, что при приеме сигналов с низким отношением сигнал/шум (ОСШ) составляющие шума приводят к хаотическому изменению координат векторов сигнала и при контроле многопозиционных сигналов происходит «размывание» координат в плоскости распознавания,
их вычисление становится неопределенным и проблематичным [3, с.205, рис.4.6.].
Кроме того, известное устройство обладает ограниченными функциональными возможностями и, в частности, не обеспечивает распознавание ЧМн сигналов. Это объясняется тем, что при контроле ЧМн сигналов фазовые скачки, на которые реагирует устройство, отсутствуют, а имеющиеся фазовые переходы носят случайный шумоподобный характер.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является устройство для распознавания видов манипуляции цифровых сигналов [4] (прототип), содержащее два фазовых детектора, выходы которых через первый блок определения координат векторов сигнала подключены к входу графического индикатора, и генератор опорного сигнала, выход которого непосредственно соединен с вторым входом первого фазового детектора и через фазовращатель подключен к второму входу второго фазового детектора, а также содержащее коммутатор, выходы которого соответственно соединены с первыми входами первого и второго фазового детектора, управляющий вход подключен к второму выходу блока определения координат векторов сигнала, первый информационный вход соединен с первым выходом квазиоптимального линейного фильтра, второй информационный вход подключен к второму выходу преобразователя ЧМн в амплитудно-импульсную манипуляцию (АИМн), первый вход которого соединен с вторым выходом квазиоптимального линейного фильтра, а на второй вход подается сигнал с выхода генератора опорного сигнала.
Блок определения координат векторов сигнала выполнен в виде двух последовательных цепей, первая из которых содержит первый АЦП, первый регистр памяти и второй регистр памяти, а вторая цепь содержит второй АЦП, третий регистр памяти и четвертый регистр памяти, причем выходы первого, второго, третьего и четвертого регистров памяти подключены к соответствующим входам вычислителя, предназначенного для осуществления считывания значений квадратурных составляющих из
регистров памяти, вычисления длины сигнальных векторов в моменты фазовых скачков и углов между осью абсцисс системы координат и каждым сигнальным вектором, второй выход вычислителя соединен с управляющими входами первого, второго, третьего и четвертого регистров памяти, а на входы дискретизации первого и второго АЦП и каждого регистра памяти подается сигнал с выхода узла дискретизации, при этом входы первого и второго АЦП являются соответствующими входами блока определения координат векторов сигнала, первый выход вычислителя - первым выходом, а второй выход вычислителя - вторым выходом блока определения координат векторов сигнала.
Коммутатор известного устройства содержит делитель, выходы которого подключены к информационным входам первого и второго ключа, причем вторые информационные входы каждого ключа объединены и являются вторым входом коммутатора, а на вторые входы первого и второго ключей подается сигнал с соответствующего выхода формирователя управляющего сигнала, при этом вход делителя является входом, выходы ключей - соответствующими выходами формирователя управляющего сигнала, при этом вход делителя является входом, выходя ключей -соответствующими выходами, а вход формирователя управляющих сигналов - управляющим входом коммутатора.
Преобразователь ЧМн в АИМн содержит последовательно включенные смеситель сдвига, второй вход которого подключен к выходу генератора сдвига, зональный полосовой фильтр, первый перемножитель, полосовой фильтр и второй перемножитель, второй вход которого соединен с вторым выходом зонального полосового фильтра, при этом вход смесителя сдвига является первым входом, второй вход первого перемножителя - вторым входом, а выход канального фильтра - выходом преобразователя ЧМн в АИМн.
Введение новых отличительных признаков расширило функциональные возможности устройства при распознавании видов манипуляции цифровых сигналов.
Однако вероятность правильного распознавания многопозиционных цифровых сигналов с помощью известного устройства низкая, особенно при ОСШ, близком к пороговому. Это объясняется воздействием шума, приводящим к хаотическому изменению координат векторов сигнала. Вычисление координат становится неопределенным.
Целью полезной модели является повышение вероятности правильного распознавания многопозиционных цифровых сигналов в условиях низкого отношения сигнал/шум.
Поставленная цель достигается за счет того, что в известное устройство для распознавания видов манипуляции цифровых сигналов, содержащее два фазовых детектора, выходы которых через первый блок определения координат векторов сигнала подключены к входу графического индикатора, и генератор опорного сигнала, выход которого непосредственно соединен с вторым входом первого фазового детектора и через фазовращатель подключен к второму входу второго фазового детектора, а также содержащее коммутатор, выходы которого соответственно соединены с первыми входами первого и второго фазового детектора, управляющий вход подключен к второму выходу первого блока определения координат векторов сигнала, первый информационный вход соединен с первым выходом квазиоптимального линейного фильтра, второй информационный вход подключен к второму выходу преобразователя ЧМн в АИМн, первый вход которого соединен с вторым выходом квазиоптимального линейного фильтра, а на второй вход подается сигнал с выхода генератора опорного сигнала, введены алфавитно-цифровой индикатор (АЦИ), коррелятор, цифровой фильтр низких частот (ЦФНЧ), второй блок определения координат векторов сигнала, блок перекодирования квадратурных сигналов, генератор импульсов псевдослучайной последовательности (ПСП) и
выделитель тактовой частоты контролируемого сигнала, вход которого соединен с первым выходом квазиоптимального линейного фильтра, а выход через генератор импульсов ПСП, блок перекодирования квадратурных сигналов и второй блок определения координат векторов сигнала подключен к второму входу коррелятора, первый вход которого соединен с первым входом первого блока определения координат векторов сигнала, а выход через ЦФНЧ соединен с управляющим входом блока перекодирования квадратурных сигналов. Выход выделителя тактовой частоты подключен к второму входу блока перекодирования квадратурных сигналов, третий выход которого соединен с входом АЦИ, при этом вход квазиоптимального линейного фильтра является входом устройства для распознавания видов манипуляции цифровых сигналов.
Устройство осуществляет выделение координат векторов контролируемого многопозиционного цифрового сигнала с инструментально допустимой точностью. Одновременно формируются имитирующие сигналы известных видов манипуляции на базе тактовой частоты контролируемого сигнала и определяются координаты векторов каждого имитирующего сигнала. Корреляционное сравнивание параметров векторов контролируемого и имитирующих сигналов позволяет однозначно классифицировать вид манипуляции, существенно повысив вероятность правильного определения.
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого устройства для распознавания видов манипуляции цифровых сигналов из литературы не известны, поэтому оно соответствует критерию новизны.
На фиг.1 приведена функциональная схема устройства для распознавания видов манипуляции цифровых сигналов;
на фиг.2 - структурная схема варианта исполнения блока перекодирования квадратурных сигналов.
Устройство для распознавания видов манипуляции цифровых сигналов (фиг.1) содержит два фазовых детектора 1, 2, выходы которых через первый блок 3 определения координат векторов сигнала подключены к входу графического индикатора 4, и генератор 5 опорного сигнала, выход которого непосредственно соединен с вторым входом первого фазового детектора 1 и через фазовращатель 6 подключен к второму входу второго фазового детектора 2, а также содержащее коммутатор 7, выходы которого соответственно соединены с первыми входами первого 1 и второго 2 фазового детектора, управляющий вход подключен к второму выходу первого блока 3 определения координат векторов сигнала, первый информационный вход соединен с первым выходом квазиоптимального линейного фильтра 8, второй информационный вход подключен к второму выходу преобразователя 9 ЧМн в АИМн, первый вход которого соединен с вторым выходом квазиоптимального линейного фильтра 8, а на второй вход подается сигнал с выхода генератора 5 опорного сигнала. В устройство введены АЦИ 10, коррелятор 11, ЦФНЧ 12, второй блок 13 определения координат векторов сигнала, блок 14 перекодирования квадратурных сигналов, генератор 15 импульсов ПСП и выделитель 16 тактовой частоты контролируемого сигнала, вход которого соединен с первым выходом квазиоптимального линейного фильтра 8, а выход через генератор 15 импульсов ПСП, блок 14 перекодирования квадратурных сигналов и второй блок 13 определения координат векторов сигнала подключен к второму входу коррелятора 11, первый вход которого соединен с первым выходом первого блока 3 определения координат векторов сигнала, а выход через ЦФНЧ 12 соединен с управляющим входом блока 14 перекодирования квадратурных сигналов. Выход выделителя 16 тактовой частоты подключен к второму входу блока 14 перекодирования квадратурных сигналов, третий выход которого соединен с входом АЦИ. Вход квазиоптимального линейного фильтра 8 является входом устройства для распознавания видов манипуляции цифровых сигналов.
Вариант исполнения блока 14 перекодирования квадратурных сигналов содержит N формирователей 14.1 квадратурных сигналов вида манипуляции, первый вход каждого из которых соединен с соответствующим выходом первого интерфейса 14.2, выходы квадратурных сигналов подключены к соответствующим входам второго интерфейса 14.3, а управляющий вход соединен с входом знакового синтезатора 14.4 и соответствующим выходом электронного коммутатора 14.5, причем выход каждого из N знаковых синтезаторов 14.4 подключен к соответствующему входу элемента 14.6 ИЛИ, при этом вход первого интерфейса 14.2 является первым входом, вторые входы формирователей 14.1 квадратурных сигналов вида манипуляции объединены и являются вторым входом, вход электронного коммутатора 14.5 - управляющим входом, выходы второго интерфейса 14.3 - первым и вторым выходом, а выход элемента 14.6 ИЛИ - третьим выходом блока 14 перекодирования квадратурных сигналов.
Устройство (фиг.1) функционирует следующим образом.
c
c
cn
Априорно неизвестный цифровой сигнал с частотой f подается на вход квазиоптимального линейного фильтра 8. Полоса пропускания этого фильтра Δf переменная и устанавливается равной ширине спектра контролируемого сигнала Δf. Фильтр 8 обеспечивает минимизацию воздействия на структуру сигнала флуктуационных шумов и посторонних, соседних по частоте сигналов.
С первого выхода квазиоптимального линейного фильтра сигнал подается на коммутатор 7 и далее - на первые входы соответственно первого 1 и второго 2 фазового детектора. Опорный сигнал на вход первого фазового детектора 1 подается непосредственно с выхода генератора 5 опорного сигнала, а на вход второго фазового детектора 2 - с выхода генератора 5 опорного сигнала через фазовращатель 6.
c
С второго выхода квазиоптимального линейного фильтра 8 сигнал f подается на первый вход преобразователя 9 ЧМн в АИМн, второй вход которого соединен с выходом генератора 5 опорного сигнала.
С выходов фазовых детекторов 1, 2 квадратурные составляющие принятого сигнала поступают соответственно на первый и второй входы первого блока 3 определения координат векторов контролируемого сигнала, после чего компоненты координат векторов подаются на графический индикатор 4, отображающий полученную диаграмму в виде точек [5, с.151-153].
Если принят ЧМн сигнал, то коммутатор 7 пропускает на первый и второй выходы сигнал с выхода преобразователя 9, соответствующее управляющее напряжение подается с второго выхода первого блока 3 определения координат векторов сигнала. При контроле фазоманипулированных сигналов коммутатор 7 подает на первые входы фазовых детекторов 1, 2 сигналы с первого выхода квазиоптимального линейного фильтра 8.
Узлы 1-9 устройства аналогичны соответствующим признакам прототипа [4] и не требуют при реализации доработки.
При снижении ОСШ точки на плоскости распознавания графического индикатора 4 начинают распадаться на множество значений. Если число фазовых скачков невелико, то устройство в известных пределах сохраняет работоспособность. Но при контроле многопозиционных цифровых сигналов, например, КАМ 16-256, снижение ОСШ приведет к тому, что отождествление диаграммы на плоскости графического индикатора 4 тому или иному виду манипуляции становится невозможным.
Для сохранения работоспособности при контроле многопозиционных цифровых сигналов в условиях низких ОСШ в устройстве формируются имитационные сигналы различных видов манипуляции с параметрами, идентичными параметрам контролируемого сигнала, определяются координаты векторов этих сигналов, производится сравнение координат векторов каждого имитационного сигнала с соответствующими параметрами координат контролируемого сигнала и при наличии корреляции
осуществляется однозначная классификация - определение вида манипуляции.
В качестве имитирующего сигнала для блока 14 перекодирования квадратурных сигналов используется сигнал генератора 15 импульсов ПСП, который тактируется импульсами выделителя 16 тактовой частоты, полученными из контролируемого сигнального потока на первом выходе квазиоптимального линейного фильтра 8.
Выделитель 16 тактовой частоты непосредственно из контролируемого сигнала может быть выполнен, например, аналогично патенту [6]. В основу выделителя 16 тактовой частоты может быть положен также детектор Гарднера [7], к основным достоинствам которого относится инвариантность к виду манипуляции и к начальной фазе несущей частоты принимаемого сигнала.
Принцип работы блока 14 перекодирования квадратурных сигналов иллюстрируется структурно схемой фиг.2. Алгоритм работы узла 14 следующий.
- Модулирующий сигнал с выхода генератора 15 импульсов ПСП поступает на первый вход блока 14 перекодирования квадратурных сигналов и через первый интерфейс 14.2 подается на вход модулирующего сигнала каждого формирователя 14.1 квадратурных сигналов вида манипуляции.
- Электронный коммутатор 14.5 поочередно включает каждый формирователь 14.1. Сигнал на управляющем входе электронного коммутатора 14.5 в исходном состоянии отсутствует.
- Квадратурные сигналы каждого формирователя 14.1 поочередно через второй интерфейс 14.3 подаются на первый и второй выходы блока 14 перекодирования квадратурных сигналов и далее на второй блок 13 определения координат векторов сигнала. Сигнал с соответствующего знакового синтезатора 14.4 на элемент 14.6 ИЛИ и далее на третий выход блока 14 не подается.
- При поступлении с выхода ЦФНЧ 12 на управляющий вход блока 14 перекодирования квадратурных и далее на электронный коммутатор 14.5 управляющего сигнала переключение формирователей 14.1 прекращается и остается включенным тот из них, который обеспечил генерацию сигнала, коррелированного с сигналом, контролируемым устройством.
- Управляющий сигнал с соответствующего выхода электронного коммутатора 14.5 включает знаковый синтезатор и подает соответствующее напряжение на третий выход блока 14 и далее - на АЦИ10.
В этом случае изменяется назначение графического индикатора 4, который служит в устройстве, главным образом, средством анализа априорно неизвестных разновидностей манипуляции цифровых сигналов и введения коррекции в блок 14 перекодирования квадратурных сигналов.
Формирователь 14.1 квадратурных сигналов вида манипуляции может быть выполнен, например, аналогично соответствующему узлу генератора ESG Vector Signal Generator E4438C [8].
Коррелятор 11 может быть выполнен, например, с использованием ПЛИС семейства Stratix II Altera [9, с.54, 55, рис.2].
Вариант АЦИ 10 может быть выбран с учетом рекомендаций [10, 11]. Таким образом, устройство для распознавания видов манипуляции цифровых сигналов позволяет существенно повысить вероятность правильного распознавания многопозиционных цифровых сигналов.
Приведенные средства, с помощью которых возможно осуществление полезной модели, позволяют обеспечить ее промышленную применимость.
Устройство экспериментально проверено и может быть использовано в составе станций технического контроля и мобильных станций радиорелейных и спутниковых линий связи для определения помеховой обстановки и оценки совместимости с другими техническими средствами в заданной местности.
Использованные источники
1. RU 93034025 А, МПК G01R 23/16. Устройство для определения класса радиосигналов.
2. RU 2235337, МПК G01R 23/16. Устройство для распознавания видов манипуляции цифровых сигналов.
3. Бернард Скляр. Цифровая связь. - М.: Издательский дом «Вильямc». 2003.
4. RU 2309414, МПК G01R 23/16. Устройство для распознавания видов манипуляции цифровых сигналов.
5. Прокис Дж. Цифровая связь. - М.: Радио и связь. 2000.
6. Устройство регенерации тактовых импульсов. Япония. Заявка №60-19860, МКИ4 H04L 7/02, H04J 3/06. Публикация 85 05 18 №7-497.
7. F.M. Gardner. «Interpolation in digital modems. Part 1: Fundamentals». IEEE Trans. On Comm., Vol 41, №. 41, March 1993, p.501-507.
8. User's Guide. Agilent Technologies ESG Vector Signal Generator. Part Namber: E4400-90503. Printed in USA. September 2002.
9 В.Б. Стешенко. ПЛИС семейства Stratix II фирмы Altera, «Цифровая обработка сигналов» №4, 2005.
10. А.Н.Игнатов. Оптоэлектронные приборы и устройства. - М.: Эко-Трендз, 2006.
11. Алфавитно-цифровые ЖКИ. Изделия и компоненты, предлагаемые фирмой КТЦ-МК. Справочник, 2002.