СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЕМОДУЛЯЦИИ СИГНАЛА
SIGNAL DEMODULATION METHOD AND DEVICE

Область техники
Заявленная группа изобретений относится к области электросвязи и может быть использовано, в частности, для эффективного приема сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией (КАМ).
Уровень техники
В современных цифровых системах связи передачу данных осуществляют с помощью комплексных символов. На передающей стороне транспортный кадр разбивают на сообщения небольшой длины; каждому такому сообщению ставят в соответствие символ - точку на комплексной плоскости. На принимающей стороне демодулятор решает обратную задачу - восстанавливает сообщение по принятой комплексной точке (т.н. демодуляция).
В современном оборудовании обычно используют два вида демодуляции - демодуляцию с жестким решением и демодуляцию с мягким решением.
В случае с жестким решением демодулятор для каждой принятой комплексной точки ищет ближайшую точку сигнального созвездия и выдает соответствующее ей битовое сообщение. Жесткое решение достаточно просто в реализации, однако не слишком точно, т.к. в процессе демодуляции теряется информация о положении принятой точки относительно остальных точек созвездия. Если сигнал при передаче подвергается сильным искажениям, то в процессе демодуляции могут возникать ошибки, при этом нет никакой информации о достоверности принятых бит. Для решения этой проблемы существует мягкое решение.
Демодулятор с мягким решением выдает не двоичные данные, а достоверность для каждого бита в символе. Применение мягкого решения оправдано только при одновременном использовании с современными методами помехоустойчивого кодирования. Такие методы кодирования как LDPC (англ. Low-density parity-check code - код с малой плотностью проверок на четность) и турбо-код обеспечивают усиление на 2 дБ при использовании мягкого решения по сравнению с жестким решением.
Рассмотрим известный способ демодуляции с мягким решением для созвездия произвольного вида.
В качестве меры достоверности в системах связи используют логарифмическое отношение правдоподобия ЛОП (LLR).
Логарифмическое отношение правдоподобия  для каждого k-го бита принятого символа вычисляют:
k
где r - входной сигнал, c - k-й бит принятого символа, n - кратность модуляции (длина битовой последовательности, которой кодируется символ). Как правило, при расчете LLR на практике используют не все точки сигнального созвездия, а только ближайшие к принятому символу:
где σ - стандартное отклонение,  - точка сигнального созвездия с 1 на k-й позиции,  точка сигнального созвездия с 0 на k-й позиции, m - число точек сигнального созвездия. Таким образом, для расчета логарифмического отношения правдоподобия необходимо определить стандартное отклонение σ, найти ближайшие точки  и  для каждого бита принятого символа и рассчитать достоверность по формуле (2).
Реализация такого подхода не требует больших ресурсов, если число точек сигнального созвездия невелико. Однако с увеличением кратности манипуляции сложность реализации возрастает многократно. Если при использовании QPSK для поиска  и  необходимо вычислить только 8 квадратов расстояний (по 4 на каждый бит), то для 32APSK требуется расчет 160 квадратов расстояний от принятого символа до каждой из точек созвездия. Поэтому в реальном коммуникационном оборудовании гораздо чаще используют индивидуальный подход к каждому типу сигнального созвездия, значительно упрощая таким образом поиск  и . Например, можно показать, что для QPSK ЛОП  прямо пропорционально проекциям принятого символа. Схожие подходы для демодуляции более сложных созвездий можно найти в следующих работах: [1], [2], [3].
Рассмотрим принцип демодуляции 16APSK в соответствии с [4]. Комплексную плоскость разбивают на области так, чтобы в одной области оказались все точки с логическим '0', а в другой - с логической '1'. Эту процедуру выполняют для каждого бита точек сигнального созвездия. Для младшего бита области имеют очень простой вид: бит равен '0', если квадратурная составляющая больше нуля и '1' если меньше. Следовательно, для младшего (нулевого) бита нет необходимости производить сложные вычисления - чем больше амплитуда квадратурного сигнала, тем выше достоверность получить логический '0', и наоборот. Таким образом, для расчета ЛОП младшего бита достаточно ввести коэффициент пропорциональности, зависящий от стандартного отклонения и умножить квадратурную составляющую сигнала на этот коэффициент. Для первого бита ситуация аналогична, но используется синфазная составляющая сигнала. Расчет ЛОП для второго и третьего битов выполняют по формуле (2), поэтому необходимы значения ближайших точек  и . Поиск этих точек осуществляют по эмпирическим формулам, основанным на геометрических особенностях созвездия.
Специализированные способы демодуляции значительно упрощают расчет ЛОП, обеспечивая при этом неплохую точность. Однако при таком подходе даже незначительные изменения в сигнальном созвездии потребуют коррекции в методе расчета ЛОП. Например, изменение соотношения внутреннего и внешнего радиусов созвездия 16APSK повлечет изменения в эмпирических формулах. Универсальные способы лишены этого недостатка, они не привязаны к геометрическим особенностям конкретного сигнального созвездия.
Технической проблемой демодуляции с мягким решением является поиск таких точек сигнального созвездия с '1' и '0' на k-й позиции для каждого бита битовой комбинации символа, которые будут ближе остальных к принятому символу. Как было показано выше, при демодуляции созвездий с большим числом точек большую часть ресурсов тратят на поиск ближайших точек, а не на расчет ЛОП. Например, при демодуляции 64APSK необходимо выполнить 786 операций умножения для поиска нужных точек и только 18 операций умножения для расчета ЛОП.
Для устранения данной технической проблемы в настоящем изобретении предложено использование следующего алгоритма:
используемую область комплексной плоскости разбивают на небольшие квадратные сектора равной площади;
на комплексной плоскости находят центр каждого такого сектора, а также квадрат расстояния от центра каждого сектора до каждой из точек сигнального созвездия; для каждого сектора определяют ближайшие точки с '1' и '0' для каждого бита битовой комбинации символа; результат записывают в память;
считают, что если принятый символ находится внутри одного из секторов, то набор требуемых ближайших точек для такого символа будет соответствовать ближайшим точкам этого сектора;
I
Q
проекции принятого символа r и r квантуют с низкой разрядностью (3-7 бит) и объединяют в один цифровой сигнал, который используют как ссылку на ячейку памяти с соответствующим набором точек;
значения стандартного отклонения, проекции принятого символа и извлеченные из памяти проекции ближайших точек используют для расчета ЛОП (например, в соответствии с формулой (2)).
Технический результат заключается в повышении энергоэффективности демодулятора, уменьшении аппаратных ресурсов, необходимых для реализации демодуляции и/или увеличении пропускной способности демодулятора, а также расширении функциональных возможностей демодулятора.
Способ характеризуется гибкостью и многофункциональностью; с его помощью демодулируют сигналы квадратурной амплитудной модуляции с такими сигнальными созвездиями как BPSK, QPSK, 8PSK, 16APSK, 16PSK, 16QAM, 32APSK и др., а также модуляции с произвольным расположением точек сигнального созвездия в соответствии с пользовательскими настройками.
Раскрытие изобретения
Для решения обозначенных выше задач и достижения указанных технических результатов предложен способ демодуляции и устройство для осуществления этапов заявленного способа.
Согласно первому объекту заявленной группы изобретений предложен способ демодуляции сигналов квадратурной амплитудной модуляции, содержащий этапы, на которых: определяют ближайшие точки секторов комплексной плоскости, соответствующие заданному сигнальному созвездию и заносят соответствующую информацию в память, демодулируемый сигнал преобразуют с целью использования результата преобразования для определения области памяти, которая содержит данные о положении пар точек сигнального созвездия, которые являются ближайшими точками сигнального созвездия с логическим нулем '0' и логической единицей '1' для каждого из битов битовой комбинации, которой кодируется принятый символ; извлеченные из памяти данные о положении пар точек сигнального созвездия используют для определения меры правдоподобия, которая используется для оценки достоверности принятых данных.
Согласно второму объекту заявленной группы изобретений предложено устройство для осуществления указанного способа, включающее последовательно соединенные блок аналоговой обработки, блок АЦП и ПЛИС, где ПЛИС выполнена с возможностью обмена данными с буферной памятью и микроконтроллером, а микроконтроллер и ПЛИС связаны с интерфейсами, обеспечивающими взаимодействие с компьютером и внешними устройствами, при этом устройство выполнено с возможностью последовательности обработки сигнала, включающей преобразование аналогового сигнала в цифровой вид на промежуточной частоте, выделение огибающей и разложение на квадратуры, символьную синхронизацию, адаптивную фильтрацию, синхронизацию по несущей, демаппинг с использованием данных в буферной памяти, кадровую синхронизацию и декодирование.
Осуществление изобретения
В предложенном способе демодуляция осуществляется в три этапа. Первый этап является подготовительным, а второй и третий выполняется для всех принятых символов. На первом этапе рассчитывается специальный файл настроек, который полностью характеризует сигнальное созвездие. С помощью данного файла на втором этапе для каждого бита каждого принятого символа находятся две ближайшие точки сигнально созвездия с '0' и '1' на соответствующей позиции. На третьем этапе, используя эти точки, положение принятого символа на комплексной плоскости, а также параметры принимаемого сигнала, рассчитывается достоверность каждого бита.
Конкретные ближайшие точки созвездия для каждого из секторов зависят от параметров разбития комплексной плоскости на сектора и от используемого сигнального созвездия, но не зависят от принимаемого сигнала. Следовательно, расчет ближайших точек для секторов можно выполнить один раз для каждого вида сигнального созвездия, а затем использовать их в процессе демодуляции. Таким образом, для вычисления ближайших точек  и  требуется только определить, к какому из секторов принадлежит принятый символ и извлечь уже рассчитанные значения из памяти.
В таблице 1 сравниваются несколько способов демодуляции 32APSK: общий (Log-Max), упрощенный специализированный и универсальный, описанный выше.
Способы сравниваются по количеству требуемых ресурсов (количество операций умножения) и деградации производительности относительно эталонного метода Log-Max.
-6
Сравнение производительности приведено для канала с аддитивным гауссовским шумом при использовании помехоустойчивого кодирования LDPC стандарта DVB-S2 по уровню ошибок 10. Специализированный способ требует от 16 до 52 операций, однако обладает невысокой точностью. Для реализации универсального способа требуется 15 операций умножения, при этом деградация производительности минимальна.
Использование данного способа в современном коммуникационном оборудовании приведет к повышению энергоэффективности демодулятора, уменьшении аппаратных ресурсов, необходимых для реализации демодуляции и/или увеличении пропускной способности демодулятора.
Предложенное устройство для осуществления заявленного способа с применением оригинального способа демодуляции с мягким/жестким решением содержит интерфейс для вывода мощности принимаемого сигнала. Устройство преобразует входной СВЧ сигнал в файл принятой информации в соответствии с заданными настройками. Демодулятор может быть выполнен на базе персонального компьютера индустриального исполнения с установленной платой обработки.
Плата обработки выполняет функции аналогового тракта и вычислителя для математической обработки. Персональный компьютер предназначен для управления приемом, хранения принятой информации, постобработки и выдачи принятой информации пользователю. Разделение задач позволяет совместить скорость аппаратной обработки в темпе поступления данных радиолинии с широкими возможностями компьютерной обработки.
В заявленном решении применена схема оцифровки сигнала на промежуточной частоте ПЧ (таким образом, в аналоговом тракте не содержатся смеситель и гетеродин). Это позволило сократить число элементов схемы и повысить надежность. Также были уменьшены искажения АЧХ широкополосного сигнала и исключены гармоники гетеродина.
Для оцифровки входного сигнала применен высокоскоростной АЦП. Это позволило выполнять фильтрацию и разложение на квадратуры цифровым способом, значительно более точным чем с помощью аналоговой схемотехники.
Применение в заявленном устройстве предложенного способа демодуляции с мягким/жестким решением позволяет снизить потери на демодуляцию по сравнению с другими способами демодуляции и позволяет добавлять новые виды модуляции пользователем с помощью СПО. Для входных сигналов с фазовой и амплитудно-фазовой модуляций пользователь имеет возможность задать как расположение точек сигнального созвездия, так и информационное значение каждой точки.
В устройстве применен аппаратный декодер известных помехоустойчивых кодов, работающий в темпе поступления данных (режиме реального времени).
С целью предоставления исходных данных для реализации экстремального автомата наведения антенной системы по уровню мощности входного сигнала, в демодуляторе предусмотрен отдельный интерфейс для передачи текущего уровня мощности входного сигнала.
Далее описание заявленного устройства приведено с отсылкой к поясняющим чертежам.
На фиг. 1 представлен общий состав заявленного устройства (демодулятора).
На фиг. 2 представлена структурная схема платы обработки сигналов.
На фиг. 3 представлена блок-схема цифровой обработки.
Заявленное устройство предназначено для обеспечения следующих действий:
фильтрации и необходимого усиления входного сигнала ПЧ
оцифровки фильтрованного входного сигнала
цифровой обработки в темпе приема, включающей:
разложение на квадратуры
символьную синхронизацию
адаптивную и согласованную фильтрацию
синхронизацию по несущей
демаппинг
фреймовую синхронизацию
декодирование помехоустойчивого кода
получение файла принятых данных
сохранения принятых данных на встроенный носитель информации
дополнительной постобработки
передачи обработанных данных потребителю.
Нижеследующее описание не предназначено для ограничения правовой охраны заявленной группы изобретений и приводится в целях иллюстративного описания возможности осуществления изобретения в предпочтительном или иных вариантах.
Изображенная на фиг. 1 структура может быть воплощена на базе корпуса приемника, в состав которого включены промышленный компьютер и охарактеризованная в рамках данной заявки плата обработки сигналов. В то же время приемник, содержащий средства приема сигнала СВЧ, элементы контроля и управления, интерфейсы ввода/вывода, может быть выполнен с возможностью соединения как с промышленным компьютером, так и с платой обработки сигналов, вследствие чего указанные на фиг. 1 функциональные связи между блоками не ограничивают заявленное изобретение каким-либо единственным вариантом осуществления в плане конструктивной связи между входящими в состав устройства элементами.
Промышленный компьютер обеспечивает настройку платы обработки сигналов, взаимодействие с пользователем через графический интерфейс, постобработку, хранение и передачу потребителям принятых данных.
На плате обработки сигналов (фиг. 2) расположены аналоговая часть (1), АЦП (2), ПЛИС (3), буферная память (4), микроконтроллер (5) и разъемы интерфейсов (6).
Аналоговая часть (1) обеспечивает защиту от перегрузки, с помощью набора усилителей и аттенюаторов обеспечивает работу схемы АРУ. Аналоговые фильтры подавляют внеполосный сигнал, что снижает негативные последствия наложения спектра при оцифровке.
АЦП (Аналого-цифровой преобразователь) (2) преобразует аналоговый сигнал в цифровой вид. Для повышения эффективности аналоговой фильтрации и возможности приема широкополосных сигналов применен высокоскоростной АЦП.
ПЛИС(Программируемые логические интегральные схемы) (3) реализует основную часть цифровой обработки (фиг. 3).
Буферная память (4) предназначена для временного хранения принятой информации, до ее записи на жесткий диск персонального компьютера.
Микроконтроллер (5) выполняет в реальном времени функции управления платой обработки сигналов, осуществляет мониторинг параметров работы и обеспечивает оперативную выдачу уровня мощности входного сигнала по отдельному интерфейсу.
Разъемы интерфейсов (6) обеспечивают взаимодействие платы обработки с персональным компьютером и внешними устройствами.
Поскольку при цифровой обработке (фиг. 3) оцифровывается сигнал на промежуточной частоте (ПЧ), задачей квадратурного гетеродина (7) является выделение огибающей и разложения на квадратуры.
Символьная синхронизация (8) осуществляется с помощью интерполятора Фарроу и детектора временной ошибки Гарднера.
Адаптивный фильтр (9) используется для коррекции АЧХ тракта. Для подбора коэффициентов фильтра используется СМА.
Компенсация частотного рассогласования выполняется в блоке синхронизации по несущей (10) с использованием данных с демаппера.
Демаппер (11) осуществляет преобразование квадратурных отсчетов в поток бит. Демаппер реализует способ демодуляции сигналов квадратурной амплитудной модуляции согласно первому объекту заявленной группы изобретений.
Блок кадровой синхронизации (12) формирует из потока бит информационные пакеты - фреймы, в соответствии с протоколом радиолинии. Блок имеет широкие возможности по настройки длин синхромаркера и фрейма.
Декодеры (13) помехоустойчивых кодов также реализованы в ПЛИС и работают в темпе приема данных с радиолинии. Поддерживаются декодеры LDPC 7/8 (стандарт GSFC-STD-9100), Reed Solomon (используемый в стандартах DVB-S, DVB-C и DVB-T) и Viterbi (используемый в стандартах DVB-S и DVB-T).
Вследствие указанного, предложенное устройство отличается от известных из уровня техники, по меньшей мере: наличием демаппера с возможностью настройки параметров принимаемого созвездия пользователем; наличием встроенного аппаратного декодера помехоустойчивого кода, работающего со скоростью поступления данных с радиолинии и позволяющего декодировать в режиме реального времени; возможностью многоканального приема (частотное разделение) на одном входе ПЧ; наличием отдельного интерфейса для выдачи мощности принимаемого сигнала с минимальной задержкой.
Таким образом, заявленное решение может быть реализовано с использованием существующих средств и аппаратуры, используемых в вычислительной технике, и является промышленно применимым.
Заявленная группа изобретений существенно отличается от известных из уровня техники, т.е. обладает новизной и изобретательский уровнем.
Испытания изготовленного образца (условное обозначение Triton HDR) показали, что он работоспособен и обеспечивает выполнение поставленной цели.
Библиография
1. A high throughput architecture for a low complexity soft-output demapping algorithm. I. Ali,  and N. Wehn. Kaiserslautern: Microelectronic Systems Design Research Group, 2015 г.
2. Simplified Soft-output Demapper Based on a Linear Transformation Technique for M-ary PSK. Jianping Li, Yameng Shi. Beijing: б.н., 2014 г.
3. An Approximated Soft Decoding Algorithm of 16-APSK Signal for DVB-S2. Kyongkuk Cho, Kwangmin Hyun, Dongweon Yoon, Sangkyu Park, Soobum Cho. б.м.: Digest of Technical Papers International Conference on Consumer Electronics, 2007 г.
4. Approximated Soft-Decision Demapping Algorithm for Coded 4+12+16 APSK. Jaeyoon Lee, Yeonsoo Jang, Dongweon Yoon. 2012 г.
5. A Simplified Soft Decision Demapping Algorithm of 16-APSK Signals in AWGN Channels. Enxin Yao, Shuai Yang, Wei Jiang. Peking: School of Electronic Engineering and Computer Science, 2010 г.