Способ и устройство обработки ФТ сигнала с дискретной подстройкой фазы в экономичном режиме
METHOD AND APPARATUS FOR PROCESSING FT SIGNAL WITH DISCRETE PHASE ADJUSTMENT IN ECONOMICAL MODE

Изобретение относится к области систем передачи информации по радиоканалу и может быть использовано при построении исполнительных приборов (ИП) командных радиолиний управления (КРУ), работающих с сигналами двоичной фазовой манипуляции.
Наиболее эффективными, с точки зрения помехоустойчивости, являются сигналы фазовой телеграфии (ФТ), работа с которыми позволяет приблизиться к потенциальной помехоустойчивости. Работа с сигналами ФТ предъявляет повышенные требования к системе по нестабильности частоты и синхронизации приема сигнала. При низком отношении сигнал/шум q невозможно обеспечить синхронизацию приема сигнала, так в системах радиосвязи при q<10 дБ вопросы синхронизации не рассматриваются [1].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу и устройству является устройство обработки фазоманипулированного сигнала с дискретной подстройкой фазы в исполнительном приборе радиолинии управления [2], выбранное в качестве прототипа. Данное устройство реализует квазикогерентный прием ФТ сигналов и обеспечивает работу системы при низком отношении сигнал/шум, в котором не требуется подстройка по частоте, а только подстройка по фазе.
Устройство обработки фазоманипулированного сигнала с дискретной подстройкой фазы в исполнительном приборе радиолинии управления содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) выход которого соединен с входом цифрового согласованного фильтра (ЦСФ), выход которого соединен с входом сдвигового регистра (РГ), выход которого соединен с первым входом перемножителя сигналов (ПМ), второй вход которого соединен с выходом эталонного генератора (Г), выход ПМ соединен с входом сумматора (СУМ), выход которого соединен с входом амплитудного ограничителя (ОГР), выход которого соединен с входом оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), выход которого соединен с входом схемы сравнения (СС), второй вход которой соединен с выходом блока хранения кодовой комбинации (БХКК), выход СС соединен с входом интегратора (ИНТ) выход которого соединен с входом порогового устройства (ПУ).
Наиболее существенным недостатком данного устройства являются большие аппаратные затраты, необходимые на реализацию многоканальной системы дискретной подстройки фазы и высокое токопотребление. Шестнадцатиканальная система обеспечивает подстройку по фазе с точностью не более чем π/32, что определяет приемлемые потери уровня полезного сигнала и возможность дальнейшей обработки сигнала. Современный уровень технического развития позволяет реализовать такие сложные устройства на одной интегральной схеме типа ПЛИС (программируемая логическая интегральная схема) или МК (микроконтроллер), полная загрузка ЦП (центрального процессора) ведет к высокому токопотреблению, что снижает время полезной работы конечного устройства.
Техническим результатом изобретения является существенное (практически в 16 раз) уменьшение токопотребления при реализации схемы обработки ФТ сигнала с дискретной подстройкой фазы в экономичном режиме. Актуальность уменьшения токопотребления определяется необходимостью реализации ИП КРУ в автономном варианте с минимальным токопотреблением.
Данный технический результат достигается тем, что:
1) в устройство обработки ФТ сигнала с дискретной подстройкой фазы добавляется канал приема ОФТ сигнала (относительная фазовая манипуляция) дополнительно к шестнадцати каналам дискретной подстройки по фазе, который работает на прием сигнала постоянно;
2) пороговое устройство ПУ ОФТ канала включает работу всех остальных шестнадцати каналов приема ФТ сигнала;
3) уровень порога в ОФТ канале значительно ниже, чем уровень порога в шестнадцати каналах приема ФТ сигнала.
ОФТ сигнал внешне ничем не отличается от ФТ сигнала, когда символу 1 соответствует отрезок гармонических колебаний с одной фазой, а символу 0 (или -1) - гармонических колебаний с противоположной фазой. Однако передаваемая с помощью ОФТ сигнала информация заложена здесь в разности фаз соседних символов. Таким образом, возможно передавать один и тот же сигнал на передающей стороне, а на приемной стороне обрабатывать либо как ОФТ или ФТ сигнал.
В командных радиолиниях управления решается задача обнаружения сигнала, тогда как в системах радиосвязи решается задача воспроизведения переданных сообщений с минимальными потерями и ошибками.
л1
В командных радиолиниях управления применяется статистический критерий оптимального обнаружения сигнала - критерий Неймана-Пирсона, в соответствии с которым прежде всего обеспечивается заданная и достаточно малая вероятность ложного приема команды (ложного срабатывания исполнительного прибора Р), а затем предпринимаются все меры для получения максимальной вероятности правильного приема команды управления. Применение критерия Неймана-Пирсона в радиолиниях управления обусловлено тем, что факт передачи сигнала априори (заранее) неизвестен.
В радиолиниях управления с двоичным кодированием команда управления состоит из одного или нескольких блоков. Каждый блок представляет собой двоичную кодовую комбинацию, состоящую из n разрядов (из n символов). Здесь рассматривается радиолиния, команда управления которой содержит один блок двоичного кода. При поэлементной обработке сигнала команда считается принятой правильно, если будет принято правильно не менее n-s символов из n, т.е. допускается не более s ошибок в приеме символов, причем место ошибки может быть любое. В этом случае работает схема Бернулли и вероятность того, что двоичная комбинация будет принята с ровно s ошибками, определяется биномиальным распределением [3]:
э
где Р - вероятность правильного приема символа двоичной комбинации,  - число сочетаний из n по s, равное:
Интегральная функция распределения случайной величины s описывается выражением:
э
При отсутствии сигнала в симметричном канале вероятность правильного приема символа (вероятность имитации шумом единичного или нулевого символа) Р=0,5. Следовательно, имеем:
а
э
Вероятность того, что шумом будет имитировано не менее n-s символов из n, за время, равное сроку службы исполнительного прибора Т, где Т - длительность элемента команды управления:
Вероятность правильного приема кодовой комбинации (команды управления) определяется по формуле (1.25):
э
где Р - вероятность правильного приема символа двоичной комбинации.
к
n
c
к
э
Положив Р=0,5 (коэффициент помехоустойчивости по определению равен отношению (U/U) в полосе 1 кГц, при котором вероятность правильного приема команды составляет Р=0,5), находим требуемую величину вероятности Р.
б
б
э
Вероятность появления ошибочного бита Р (Р=1-Р) для ФТ и ОФТ модуляции определяются следующими выражениями [2]:
где,
b
0
E/N - отношение средней мощности сигнала к средней мощности шума;
- гауссовский интеграл ошибок.
b
0
л1
л1
л1
b
0
л1
Основная идея предлагаемого изобретения заключается в следующем, для обеспечения своевременного включения блока приема ФТ каналов используется канал приема ОФТ сигнала. Однако, для обеспечения работы ОФТ и ФТ каналов при одном и том же отношении сигнал/шум E/N необходимо снижать требования к ОФТ каналу по вероятности ложного срабатывания в условиях непреднамеренных помех Р. Таким образом, в ИП КРУ постоянно работает канал приема ОФТ сигнала с заниженными требованиями по ложным срабатываниям Р, когда эти срабатывания будут происходить будет включаться блок приема ФТ каналов, где будет приниматься конечное решение о приеме команды управления. Входной сигнал будет поступать на вход обработки ФТ каналов через линию задержки (ЛЗ), величина которой будет определяться временем необходимым на обработку сигнала в ОФТ канале. Чем слабее будут заданы требования по вероятности ложного срабатывания Р для ОФТ канала, тем чаще будет происходить включение ФТ каналов и тем меньше будет выигрыш в токопотреблении, однако будет обеспечиваться возможность работы при более низких отношениях сигнал/шум E/N. При более жестких требованиях по вероятности ложного срабатывания P для ОФТ канала будет наблюдаться обратная картина.
Рассмотрим пример реализации предлагаемой КРУ с расчетом основных показателей качества. Оценка помехоустойвости и вероятности ложного срабатывания будут выполнены по формулам 1-4. Исходные данные для расчета:
к
1. Длительность команды управления Т=1 с.
л1
-8
2. Заданная величина вероятности ложных срабатываний исполнительного прибора от случайных (непреднамеренных) помех Р=10.
а
3. Срок службы исполнительного прибора радиолинии на объекте управления Т=30 сут.
b
0
л1
Результаты расчета представлены в фигуре 1, из которых видно, что при уменьшении отношения сигнал/шум E/N при котором должны работать демодуляторы ФТ, необходимо значительно снижать требования к вероятности ложных срабатываний Р ОФТ канала, что ведет к увеличению частоты ложных срабатываний и периодичности включения блока приема ФТ каналов и соответственно уменьшению выигрыша в токопотребления всей схемы. Токопотребление считалось в предположении, что канал ОФТ работает постоянно, а каналы ФТ периодически включаются.
Способ реализуется в 3 этапа:
1) добавляется ОФТ канал дополнительно к шестнадцати ФТ каналам устройства обработки ФТ сигнала с дискретной подстройкой фазы, который работает в постоянном режиме;
2) пороговое устройство ОФТ канала включает работу всех остальных шестнадцати ФТ каналов, при этом уровень порога в ОФТ канале значительно ниже чем уровень порога в ФТ каналах;
3) принятие конечного решения о приеме КУ формируется в соответствии с положительным решением о приеме КУ хотя бы в одном из ФТ каналов.
На фигуре 2 представлена схема устройства обработки ФТ сигнала с дискретной подстройкой фазы в экономичном режиме, содержащая аналого-цифровой преобразователь АЦП 1, цифровой согласованный фильтр ЦСФ 2, сдвиговый регистр РГ 3, опорный генератор Г 4, перемножитель сигналов ПМ 5, сумматор СУМ 6, амплитудный ограничитель ОГР 7, оперативное запоминающее устройство ОЗУ 8, блок хранения кодов команд БХКК 9, схему сравнения СС 10, интегратор ИНТ 11, пороговое устройство ПУ 12, перемножитель сигналов ПМ 13, линию задержки ЛЗ 14, фильтр нижних частот ФНЧ 15, амплитудный ограничитель ОГР 16, блок хранения кодов команд БХКК 17, схему сравнения СС 18, интегратор ИНТ 19, пороговое устройство ПУ 20, блок включения питания ФТ каналов ВКЛ. ПИТ. ФТ 21, линию задержки ЛЗ 22.
c
э
л1
э
зп
c
сч1
зп
г
сч1
э
л1
Устройство обработки ФТ сигнала с дискретной подстройкой фазы в экономичном режиме работает следующим образом: входной аналоговый сигнал на промежуточной частоте ƒ поступает на вход аналого-цифрового преобразователя АЦП 1, далее оцифрованный сигнал поступает на вход цифрового согласованного фильтра ЦСФ 2, который согласован со спектром входного сигнала, длительностью Т. Далее сигнал поступает в ОФТ канал для которого снижены требования по вероятности ложного срабатывания Р. Сигнал с выхода ЦСФ 2 поступает на перемножитель сигналов ПМ 13 и линию задержке ЛЗ 14 (задержка на время Т), образующие демодулятор ОФТ сигнала, после чего высокие гармонические составляющие подавляются фильтром нижних частот ФНЧ 15. Далее сигнал ограничивается по уровню ±1 и подается на схему сравнения СС 18, где происходит сравнение принятой кодовой комбинации с эталонной, которая храниться в БХКК 17. Результат сравнения каждого разряда команды управления накапливается в интеграторе ИНТ 19 и, после сравнения всех n бит, результат поступает на вход порогового устройства ПУ 20. При превышении установленного порога для ОФТ канала принимается решение о включении питания блока приема ФТ каналов. После чего, этот же входной сигнал с выхода цифрового согласованного фильтра ЦСФ 2 через линию задержки ЛЗ 22 (время задержки эквивалентно времени необходимым для обработки команды управления (КУ) в ОФТ канале) поступает на вход блока приема ФТ каналов, а именно вход сдвигового регистра РГ 3. Входной сигнал оцифровывается аналого-цифровым преобразователем АЦП 1 с дискретностью, например, 16 отсчетов на период. Отсчеты сигнала с выхода цифрового согласованного фильтра ЦСФ 2 через линию задержки ЛЗ 22 с частотой ƒ=16ƒ записываются в сдвиговый регистр РГ 3, емкостью на 16 отсчетов. Между тактами записи отсчетов сигнала в сдвиговый регистр РГ 3 с частотой ƒ=16ƒ осуществляется считывание информации из сдвигового регистра РГ 3, которая поступает на вход перемножителя сигналов ПМ 5. На второй вход перемножителя сигналов ПМ 5 подается сигнал с выхода опорного генератора Г 4 с частотой считывания ƒ=ƒ, то есть период сигнала опорного генератора Г 4 будет перемножен в перемножителе сигналов ПМ 5 с 16-ю отсчетами из сдвигового регистра РГ 3 в режиме считывания информации. Результаты перемножения 16-и отсчетов входного сигнала с сигналом опорного генератора суммируются в сумматоре СУМ 6, результат ограничивается (0 - при отрицательной сумме, 1 - при положительной сумме) в амплитудном ограничителе ОГР 7 и записывается в оперативное запоминающее устройство ОЗУ 8. После сдвига информации в сдвиговом регистре РГ 3 на один разряд, считывание отсчетов сигнала, перемножение, суммирование, ограничение и запись результата в очередную ячейку оперативного запоминающего устройства ОЗУ 8 повторяются. Через 16 тактов сдвига информации в сдвиговом регистре РГ 3 в 16-и ячейках ОЗУ 8 (по ячейке в каждой строке) будет записана информация, характеризующая результаты перемножения входного сигнала с опорным колебанием при дискретном сдвиге фазы входного сигнала на 1/16 периода. Если на элемент сигнала длительностью Т приходится k периодов, а команда управления состоит из n элементов, то требуемая емкость ОЗУ определяется, как 16*k*n бит (16 строк по k*n ячеек). На каждом такте сдвига информации в регистре сдвига РГ 3 необходимо выполнить считывание информации из n ячеек строки ОЗУ 8, взятых равномерно через k элементов, что будет соответствовать принимаемой кодовой комбинации (КК). Считаная КК сравнивается в схеме сравнения СС 10 с эталонным кодом блока хранения кодов команд БХКК 9. Таким образом, за 16 тактов смены информации в регистре сдвига РГ 3 из ОЗУ 8 будет считана информация из 16 строк по n элементов, что соответствует сдвигам входного сигнала на один период с дискретностью 1/16 периода. Результат сравнения каждого разряда команды управления накапливается в интеграторе ИНТ 11 и, после сравнения всех n бит, результат поступает на вход порогового устройства ПУ 12. При превышении установленного порога, который удовлетворяет требованиям по имитостойкости Р, принимается решение о приеме ожидаемой команды управления.
зп
c
max
На каждом такте сдвига информации в сдвиговом регистре РГ 3 выполняется операция записи в ОЗУ 8 и параллельное считывание n элементов из ОЗУ 8. Таким образом, требуемое быстродействие устройства будет определяться тактовой частотой n⋅ƒ. Например, при ƒ=10 кГц, n=64 элемента и дискретной подстройке фазы через 1/16 периода сигнала максимальная тактовая частота будет составлять ƒ=10,24 МГц.
За счет того, что в предлагаемом способе и устройстве обработки ФТ сигнала с дискретной подстройкой фазы в экономичном режиме реализуется импульсный режим работы блока приема ФТ каналов достигается экономия в токопотреблении схемы исполнительного прибора командной радиолинии управления.
Таким образом, способ и устройство обработки ФТ сигнала с дискретной подстройкой фазы в экономичном режиме, практически в 16 раз, уменьшает общее токопотребление схемы, что способствует реализации КРУ в портативном варианте с большим временем автономной работы.
Литература
1. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Издание второе, исправленное. М.: Вильяме, 2003. 1105 с.
2. Устройство обработки фазоманипулированного сигнала с дискретной подстройкой фазы в исполнительном приборе радиолинии управления / А.В. Леушин, А.В. Кравцов, В.И. Анисимов. - №176149; Приоритет от 18.09.2017 // Патент на полезную модель. - 2017. - 8 с.
3. Ашимов Н.М. Помехоустойчивость и помехозащищенность радиолиний управления. М.: ВИУ, 2000. 372 с.