СПОСОБ СИМВОЛЬНОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ ПРИ ПРИЕМЕ СИГНАЛА КОДОИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИИ -ЧАСТОТНОЙ МАНИПУЛЯЦИИ С ИЗВЕСТНОЙ СТРУКТУРОЙ
METHOD OF CHARACTER SYNCHRONISATION WHEN RECEIVING CODE PULSE MODULATION OR FREQUENCY KEYING WITH FAMILIAR STRUCTURE

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиотелеметрических системах при приеме телеметрической информации.
В настоящее время все существующие способы синхронизации в информационно-телеметрических системах реализованы во временной области. В связи с увеличением скорости передачи информации, влиянием преднамеренных и непреднамеренных помех снижается вероятность точного определения границ следования символов в информационном сообщении. Неточное определение границ следования символов приводит к потере телеметрической информации. Для минимизации потерь телеметрической информации предлагается способ синхронизации в частотно-временной области. Анализ способов показал возможность проведения обработки сигнала в частотно-временной области [1-3]. Указанные патенты описывают способы, основанные на использовании преобразования Фурье, вейвлет-анализа, нейронных сетей, применяемые для демодуляции сигнала. Вопросы синхронизации данные способы не раскрывают.
Известен способ улучшенной синхронизации линейно-частотно-модулированных последовательностей [1]. Изобретение раскрывает способы и устройства для идентификации корректных пиков в выходных сигналах согласованных фильтров. Принимаемый сигнал коррелируют с копией сигнала синхронизации, тем самым формируя выходной сигнал корреляции. Пики детектируют в выходном сигнале корреляции. Пик тестируется на множестве заранее определенных местоположений, которые задаются свойствами сигнала синхронизации, тем самым формируется множество сигналов тестирования сигнальных пиков [1].
Данный способ применяется для синхронизации сигналов сотовой связи с использованием алгоритмов цифровой обработки сигналов. Его недостатком является то, что он не применим для структуры символьной синхронизации группового телеметрического сигнала.
В работе [2] предлагается способ распознавания сигналов, основанный на быстром преобразовании Фурье.
Данный подход имеет недостаток, выраженный в применении нескольких контуров подстройки при полном распознавании входного сигнала. Это приводит к невозможности обработки сигналов в режиме непосредственного приема информации.
Наиболее близким по п.1 формулы для решения вопросов синхронизации в информационно-телеметрических системах является способ распознавания и демодуляции сигнала с неизвестной структурой [3], который выбран в качестве прототипа. Данный подход к распознаванию и демодуляции сигнала основан на применении контура двухуровневой обработки сигнала. Вначале осуществляется первичная вейвлет-обработка для грубой оценки параметров сигнала (максимальная, минимальная амплитуды и частота), присутствия фазовых искажений. Для точного определения параметров сигнала применяется вторичный анализ нейронными сетями и автоматическая подстройка под каждый тип входного сигнала. Достигаемым техническим результатом является определение параметров и демодуляция сигнала с неизвестной структурой на основе самообучающейся нейронной сети. При этом точность обработки сигнала ограничена шумовыми составляющими входного сигнала [3]. Данный способ может быть использован для решения задачи повышения устойчивости синхронизации. Его недостатком является сложность разработки формализованных алгоритмов настройки и определения оптимальной структуры нейронной сети.
2
2
В предлагаемом способе по аналогии с прототипом осуществляется распознавание границ символов и демодуляция информационного телеметрического сигнала модуляцией КИМ-ЧМ с использованием контура двухуровневой обработки сигнала. В данном способе, для устранения недостатков прототипа, вместо нейронной сети применяется алгоритм быстрого преобразования Фурье, с помощью которого из мгновенного спектра сигнала получают информацию, необходимую для определения границ символов и демодуляции информационного сообщения в режиме непосредственного приема информации. Аналитическое представление сигнала с модуляцией КИМ-ЧМ описывается следующей математической формулой:
m
i
S(t)=Scos(2πft+φ), i=1,2, (1)
где
S(t) - передаваемый сигнал;
m
S - амплитуда модулированного сигнала;
t - значение времени;
φ - фазовый сдвиг сигнала;
i
f - частота информационного символа;
i - индекс частоты.
При двоичном кодировании сигнал частотной манипуляции передается на двух различных частотах.
2
Графический вид смоделированного в среде Matlab сигнала с модуляцией КИМ -ЧМ изображен на фиг.1.
Предлагаемый способ основывается на применении преобразования Фурье принимаемого сигнала. Математически преобразование Фурье описывается следующей формулой:
<mrow><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mi>ω</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><mo>−</mo><mi>∞</mi></mrow><mi>∞</mi></munderover><mrow><mi>S</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi></mrow></msup><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>,</mo><mtext> (2)</mtext></mrow></mrow></mstyle></mrow>
где
<mrow><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mi>ω</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
- спектральная функция сигнала S(t);
ω=2πf - круговая частота.
2
Информационное сообщение «0» «1» с модуляцией КИМ-ЧМ в спектральной области представлено на фиг.2.
Из фиг.2 видно, что амплитуда спектра максимальна на номиналах частот передаваемых символов.
На фиг.3 изображены спектры одиночных информационных символов.
2
В настоящее время при обработке сигнала в частотной области анализируют спектр всего принимаемого сигнала, вследствие чего в частотной области появляются копии спектра и возникает межсимвольная интерференция. Применение преобразования Фурье на всем временном интервале приема сигнала не позволяет проводить одновременно его обработку в частотной и временной области. Суть применения разработанного способа синхронизации информационно-телеметрических систем заключается в построении мгновенных спектров от участков принимаемого сигнала в режиме непосредственного приема информации. Это позволит связать анализ сигнала в частотной области со временем и избежать появления копий спектра. Информационные символы сигнала с модуляцией КИМ-ЧМ отличаются друг от друга номиналом частоты передачи. При построении мгновенных спектров переход от одного символа к другому характеризуется «растеканием» спектра на частотной оси. Данный факт подтвержден результатами моделирования в среде Matlab. Графический вид результатов моделирования представлен на фиг.4.
Явление «растекания» спектра математически описывается следующим образом. Формула преобразования Фурье в дискретной форме имеет следующий вид:
<mrow><mi>S</mi><mrow><mo>(</mo><mi>m</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></munderover><mrow><mi>S</mi><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>m</mi><mi>n</mi><mo>/</mo><mi>N</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mi>j</mi><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>m</mi><mi>n</mi><mo>/</mo><mi>N</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> (3)</mtext></mrow></mstyle></mrow>
где
S(m) - m-й компонент дискретного преобразования Фурье;
m - индекс дискретного преобразования Фурье в частотной области, m=0, 1, 2, 3,…N-1;
S(n) - последовательность дискретных отсчетов входного сигнала;
n - временной индекс входных отсчетов, n=0, 1, 2, 3,…N-1;
j - мнимая единица;
N - количество отсчетов входной последовательности и количество частотных отсчетов результата дискретного преобразования Фурье.
Индексы входных значений n и выходных отсчетов преобразования Фурье m всегда принимают значения от 0 до N-1. Это значит, что при наличии N входных отсчетов во временной области преобразование Фурье рассчитывает спектральный состав в N равномерно распределенных точках частотной оси. Значение N определяет необходимое количество входных отсчетов, разрешающую способность преобразования Фурье по частоте.
s
Разрешающая способность f/N определяет расстояние по частоте между отсчетами преобразования Фурье. При построении спектра сигнала вместо разрешающей способности рассчитывают значения анализируемых частот преобразования Фурье определяемых по следующей формуле:
an
s
f(m)=(mf)/N, (4)
где
an
f - анализируемые частоты;
m - индекс дискретного преобразования Фурье в частотной области, m=0, 1, 2, 3,…N-1;
s
f - частота дискретизации сигнала;
N - количество частотных отсчетов результата дискретного преобразования Фурье.
an
s
1
2
В результате проведения преобразования Фурье принимаемого сигнала вычисляется ряд значений S(m) на анализируемых частотах f, являющихся значениями амплитуды спектра принимаемого сигнала. Частоты анализа остаются постоянными, так как значения m, f, N постоянны. При анализе сигнала S(t) значения амплитуды спектра S(m) не изменяются до того момента, пока сигнал S(t) передается номиналом частоты f. Как только в последовательности дискретных отсчетов сигнала S(t) появляются отсчеты с номиналом частоты f, значения амплитуды спектра S(m) изменяются, в результате чего наблюдается «растекание» спектра.
Фиксируя моменты начала «растекания» спектра, генератор тактовых импульсов вырабатывает синхроимпульсы, подаваемые на вход устройства формирования кодовой последовательности. На втором уровне обработки принимаемого сигнала рассчитывается мгновенный спектр между границами символов информационного сообщения. Рассчитанный мгновенный спектр сравнивается в устройстве принятия решения с частотным образом символа (ряд значений спектральных составляющих). В результате сравнения решающее устройство принимает решение о номинале символа и передает номинальное значение символа на устройство формирования кодовой последовательности. Устройство формирования кодовой последовательности генерирует
синхронизированные двоичные импульсы видеочастоты. С выхода устройства формирования кодовой последовательности информация поступает для дальнейшей обработки.
2
На фиг.5 представлено схематическое изображение способа символьной синхронизации в частотно-временной области сигнала с модуляцией КИМ-ЧМ, где
1. ПР - приемник;
2. ПЧ - преобразователь частоты;
3. КП - контур подстройки;
4. Д - дискретизатор;
5. Г1 - генератор частоты дискретизации;
6. PC - регистр сдвига;
7. УВМС - устройство вычисления мгновенного спектра;
8. «0» - устройство хранения частотных составляющих символа «0»;
9. «1» - устройство хранения частотных составляющих символа «1»;
10. «01» - устройство хранения частотных составляющих перепада символов;
11. РУ - решающее устройство;
12. УВКК - устройство вычисления коэффициента корреляции;
13. Г2 - генератор символьной частоты;
14. УПРС - устройство принятия решения о значении символа
15. УФКП - устройство формирования кодовой последовательности.
В соответствии со схемой способа выполняется следующая последовательность действий:
2
1. Входной радиосигнал модуляции КИМ-ЧМ поступает на вход приемного устройства.
2. В приемном устройстве сигнал переносится на промежуточную частоту.
3. В контуре подстройки по хранимым в нем известным значениям номиналов частот передаваемых символов информационного сообщения вычисляется доплеровский сдвиг частоты.
4. Значения доплеровского сдвига частоты передаются на устройства хранения частотных образов символа и перепада символов (ряды значений спектральных составляющих), где значения спектральных составляющих информационного символа пересчитываются с учетом доплеровского сдвига.
1
2
k
5. В дискретизаторе информационный радиосигнал промежуточной частоты дискретизируется в соответствии с частотой, вырабатываемой генератором частоты дискретизации. В результате дискретизации на длительности информационного символа радиосигнала укладывается множество N дискретных отсчетов. N={N, N, … N}, где k является целым, положительным числом и вычисляется, исходя из заданной частоты дискретизации. Частота дискретизации задается оператором.
6. Значения дискретных отсчетов поступают на входы регистров сдвига демодулятора и устройства определения границ символов.
k+1
7. В устройстве определения границ символов множество N дискретных отсчетов информационного сигнала накапливается в регистре. По накопленным отсчетам устройство вычисления мгновенного спектра рассчитывает мгновенный спектр, который сравнивается в устройстве сравнения и принятия решения с частотными образами «0», «1» и перепада символов. Каждый следующий поступающий дискретный отсчет N вытесняет из регистра хранящийся в нем отсчет. С каждым новым поступившим отсчетом выполняется операция вычисления мгновенного спектра и сравнения его с частотными образами. Результатами сравнения являются значения коэффициентов корреляции.
j
j
(j+k/2)
j
8. Поиск границы символа в устройстве сравнения и принятия решения начинается с определения максимального коэффициента корреляции мгновенного спектра с образом одного из символов. В случае следования подряд одинаковых значений кода при одинаковом уровне входного сигнала вычисляемые значения коэффициента корреляции остаются постоянными. При поступлении в регистр дискретного отсчета N, являющегося дискретным отсчетом символа, следующего за обрабатываемым и имеющего противоположное значение (смена кодовой посылки с «0» на «1» или с «1» на «0»), наблюдается «растекание» спектра. «Растекание» спектра характеризуется уменьшением коэффициента корреляции. Устройство сравнения и принятия решения фиксирует временное положение N дискретного отсчета в качестве границы символа и проверяет данное предположение вычислением коэффициентов корреляции мгновенных спектров с образом перепада символов и образом символа, имеющего противоположное значение. Для подтверждения предположения об обнаруженной границе символа проверяется выполнение двух условий. Во-первых, момент максимума коэффициента корреляции мгновенного спектра с образом перепада символов должен наступить через k/2 обработанных дискретных отсчетов, начиная с момента начала «растекания» спектра, то есть на отсчете N. Во-вторых, момент максимума коэффициента корреляции мгновенного спектра с образом противоположного символа должен наступить через k дискретных отсчетов от предполагаемой границы символа. При выполнении данных условий принимается окончательное решение о том, что временное положение N дискретного отсчета является границей информационного символа. Определив момент времени границы символов, устройство сравнения и принятия решения вырабатывает строб-сигналы, подаваемые на вход инерционного генератора символьной частоты. При изменении информативности принимаемого сигнала пересчитывается значение k, проверяется совпадение момента времени k/2 и максимума коэффициента корреляции мгновенного спектра с образом перепада символов и производится корректировка выдачи строб-сигналов.
1
2
r
9. После определения границ символов решающее устройство настраивает регистр сдвига демодулятора на анализ М дискретных отсчетов информационного символа. Количество М дискретных отсчетов определяется решающим устройством таким образом, чтобы в их число не вошли дискретные отсчеты другого информационного символа и отсчеты, попадающие на интервал межсимвольной интерференции. M={M, M, … M}, где r<k и r является целым, положительным числом.
10. Устройство вычисления мгновенного спектра демодулятора вычисляет мгновенный спектр по принятым М дискретным отсчетам.
11. В устройствах вычисления коэффициента корреляции вычисляется значение коэффициента корреляции мгновенного спектра с образами информационных символов (ряда значений спектральных составляющих).
12. Устройство принятия решения о значении символа принимает решение о номинале информационного символа путем сравнения коэффициентов корреляции мгновенного спектра с образом «0» и «1» и выбора большего значения, после чего выдает это решение на устройство формирования кодовой последовательности.
13. В инерционном генераторе символьной частоты формируются опорные импульсы символьной синхронизации, соответствующие границе символов путем выделения из последовательности импульсов, управляющих дискретизацией непрерывного входного радиосигнала, полученных от генератора частоты дискретизации в моменты времени получения стробирующих сигналов. Импульсы символьной синхронизации подаются на устройство формирования кодовой последовательности. Инерционность генератора символьной частоты обусловлена необходимостью сохранения символьной частоты при приеме кодовых комбинаций с набором символов одинакового значения, когда границу символа определить невозможно.
14. Устройство формирования кодовой последовательности формирует двоичные импульсы видеочастоты с длительностью, определяемой инерционным генератором символьной частоты.
15. С выхода устройства формирования кодовой последовательности информация в виде двоичного кода в сопровождении импульсов символьной частоты поступает в контур дальнейшей обработки информации.
2
Техническим результатом изобретения является способ символьной синхронизации наземной приемно-регистрирующей аппаратуры телеметрической информации при приеме сигнала с модуляцией КИМ-ЧМ в частотно-временной области.
Новизна изобретения заключается в новом подходе к процессу символьной синхронизации, переносу процесса синхронизации из временной области в частотно-временную область.
Изобретательский уровень характеризуется применением известного ранее математического аппарата преобразования Фурье для решения задачи по поиску границ следования информационных символов сообщения и выявлением закономерностей при вычислении мгновенных спектров на данных границах.
Промышленная применимость - данное изобретение является промышленно применимым, так как может быть реализовано на существующих программируемых логических интегральных микросхемах.
Источники информации
1. Патент RU 2472295 С2, H04L 27/26, опубл. 10.01.2013. Улучшенная синхронизация линейно-частотно-модулированных последовательностей.
2. Патент RU 2216748 С2, G01R 23/16, опубл. 20.11.2003. Способ распознавания сигналов систем радиосвязи.
3. Патент RU 2386165 С2, G06F 17/14, G06N 3/02, G01R 23/16, опубл. 10.04.2010. Способ определения структуры и демодуляции сигнала с неизвестной структурой.
4. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов: учебное пособие / А.Б.Сергиенко. - 3-е изд. - Спб.: БХВ-Петербург, 2011. - 768 с.
5. Мановцев А.П. Введение в цифровую радиотелеметрию / А.П.Мановцев. - Москва: Энергия, 1967. - 343 с.