Устройство высокоточной оценки несущей частоты широкополосного сигнала

Предлагаемое устройство относится к области радиотехники и может быть использовано для высокоточной оценки несущей частоты радиосигнала в широкополосных системах связи (ШПСС) и сотовых системах связи множественного доступа с кодовым разделением каналов (Code Division Multiple Access – CDMA).
Известно, что качественный прием и обработку широкополосного сигнала (ШПС) в любой цифровой системе связи невозможно осуществить без выполнения процедур высокоточной оценки временного положения и несущей частоты этого сигнала. При этом оценивание несущей частоты принимаемого широкополосного сигнала производят, как правило, после установления временной синхронизации и демодуляции.
Оптимальный алгоритм высокоточной оценки частоты радиосигнала [1] предполагает формирование непрерывной решающей функции оцениваемого частотного сдвига. Очевидно, что практическая реализация оптимального алгоритма затруднительна.
Вопросам анализа и реализации устройств оценки несущей частоты широкополосных сигналов большое внимание уделено в работах [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и др.]. Наиболее часто используемыми способами оценки частоты являются: фазоразностный метод [8], который позволяет сформировать оценку частотного сдвига в явном виде и является наиболее простым с точки зрения вычислительной сложности; квазиоптимальный одноканальный метод оценки частоты, использующий опорный сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) [9, 10], который достаточно прост в реализации и, поэтому, находит успешное применение в системах начальной частотной синхронизации, где отсутствуют жесткие требования на время вхождения в синхронизм. Одним из часто используемых квазиоптимальных подходов оценки частоты и его реализация в виде многоканального (МК) приемника [1 - 3] является метод максимального правдоподобия, при котором оценка частоты сигнала выполняется не для всех, а только для  дискретных значений из априорного интервала неопределенности, сдвинутых друг относительно друга на некоторую величину .
При этом статистические характеристики оценки частоты и точность оценки частотного сдвига зависят не только от энергетических параметров полезного сигнала и шума, но и существенно ограничены специфической характеристикой МК приемника –.
Сравнительный анализ помехоустойчивости, точностных характеристик рассмотренных методов оценки частоты и сложности их реализации [11] позволяет сделать вывод о том, что наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является устройство в виде многоканального приемника с дискретными значениями частоты опорного сигнала [12, С. 229-233], которое принято за прототип.
Укрупненная блок-схема устройства-прототипа представлена на фиг. 1, где приняты следующие обозначения:
1 – генератор опорного сигнала с дискретным шагом частоты;
2.1 – 2.n – канальные перемножители;
3 – блок управления (БУ);
4.1 – 4.n – блоки канальной обработки;
5 – блок оценки частоты (БОЧ).
Устройство-прототип содержит генератор опорного сигнала с дискретным шагом частоты 1,  параллельных частотных каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных канального перемножителя  и блока канальной обработки , выход каждого из которых соединен с соответствующим входом блока оценки частоты 5, выход которого является выходом устройства. При этом первый управляющий выход блока управления 3 соединен с управляемым входом генератора опорного сигнала с дискретным шагом частоты 1. Управляемый вход блока управления 3 является входом внешнего управляющего сигнала. Кроме того, второй и третий управляющие выходы блока управления 3 соединены с соответствующими управляемыми входами блоков канальной обработки . Второй управляющий выход блока управления 3 соединен с первым управляемым входом блока оценки частоты 5. Четвертый управляющий выход блока управления 3 соединен со вторым управляемым входом блока оценки частоты 5. Выходы генератора опорного сигнала с дискретным шагом частоты 1 подключены к первым входам канальных перемножителей  соответственно. Вторые входы канальных перемножителей  объединены и являются входом устройства.
Устройство-прототип работает следующим образом.
Предварительно по результатам корреляционной обработки [3] выполняют демодуляцию входного широкополосного радиосигнала. В результате получают входной гармонический сигнал с несущей частотой входного широкополосного радиосигнала из интервала априорной неопределенности, который подается на вход устройства. В соответствии с [12] в устройстве-прототипе используют принцип обработки МК приемника, состоящего из  параллельных частотных каналов. Оценку частоты рассогласования входного и опорного сигнала выполняют в каждом из  каналов по решающей функции, сформированной в соответствующем блоке канальной обработки. Для этого по внешнему входному управляющему сигналу в блоке управления 3 формируют сигнал управления для генератора опорного сигнала с дискретным шагом частоты 1, по которому априорный частотный интервал неопределенности разбивают на  дискретных подынтервалов шириной . Значение частоты сигнала в каждом дискретном подынтервале, как правило, считают равным средней частоте этого частотного подынтервала. В генераторе опорного сигнала с дискретным шагом частоты 1 для подынтервалов формируют  гармонических опорных сигналов с дискретными частотами с шагом . По внешнему управляющему сигналу в блоке управления 3 формируют управляющие сигналы с первого, второго, третьего и четвертого управляющих выходов блока управления 3, по которым в результате корреляционной обработки или согласованной фильтрации гармонического входного сигнала и гармонических опорных сигналов на выходах блоков канальной обработки  получают  значений решающей функции. В блоке оценки частоты 5 из  полученных значений решающей функции выбирают подынтервал с наибольшим значением решающей функции и считают, что истинное значение оценки частоты входного гармонического сигнала равно средней частоте этого частотного подынтервала. Данное значение частоты формируют в качестве оценки на выходе устройства-прототипа.
Основным недостатком устройства-прототипа является ухудшение точности оценки частотного сдвига между входным широкополосным радиосигналом и сигналом опорного генератора, которое существенным образом зависит не только от энергетических параметров полезного сигнала и шума, но и от специфической характеристики МК приемника – расстояния между соседними частотными каналами .
Задача заявляемого устройства – повышение точности оценки несущей частоты входного широкополосного радиосигнала, уменьшение аппаратных и программных затрат при практической реализации данного устройства.
Для решения поставленной задачи в устройство, содержащее генератор опорного сигнала с дискретным шагом частоты,  параллельных частотных каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных канального перемножителя и блока канальной обработки, выход каждого из которых соединен с соответствующим входом блока оценки частоты, при этом первый управляющий выход блока управления соединен с управляемым входом генератора опорного сигнала с дискретным шагом частоты,  выходов которого соединены с первыми входами канальных перемножителей соответственно, вторые входы которых объединены и являются входом устройства, кроме того, второй управляющий выход блока управления соединен с первыми управляемыми входами блоков канальной обработки и первым управляемым входом блока оценки частоты, второй управляемый вход которого подключен к третьему выходу блока управления, четвертый выход которого соединен со вторым управляемым входом блока оценки частоты; вход блока управления является входом внешнего управляющего сигнала, согласно полезной модели, введен узел высокоточной оценки частоты, вход которого является входом внешнего сигнала дискретизации, выход – выходом устройства, при этом выходы блока оценки частоты соединены с соответствующими входами узла высокоточной оценки частоты.
Укрупненная блок-схема предлагаемого устройства высокоточной оценки несущей частоты широкополосного сигнала представлена на фиг. 2, где введены следующие обозначения:
1 – генератор опорного сигнала с дискретным шагом частоты;
2.1 – 2.n – канальные перемножители;
3 – блок управления (БУ);
4.1 – 4.n – блоки канальной обработки;
5 – блок оценки частоты (БОЧ);
6 – узел высокоточной оценки частоты.
Предлагаемое устройство высокоточной оценки несущей частоты широкополосного сигнала содержит генератор опорного сигнала с дискретным шагом частоты 1,  параллельных частотных каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных канального перемножителя  и блока канальной обработки , выход каждого из которых соединен с соответствующим входом блока оценки частоты 5, выходы которого соединены с соответствующими входами узла высокоточной оценки частоты 6, выход которого является выходом устройства. При этом первый управляющий выход блока управления 3 соединен с управляемым входом генератора опорного сигнала с дискретным шагом частоты 1. Управляемый вход блока управления 3 и управляемый вход узла высокоточной оценки частоты 6 являются входами соответственно внешнего управляющего сигнала и внешнего сигнала дискретизации.
Кроме того, второй управляющий выход блока управления 3 соединен с первыми управляемыми входами блоков канальной обработки  и первым управляемым входом блока оценки частоты 5, третий управляющий выход блока управления 3 соединен со вторыми управляемыми входами блоков канальной обработки . Четвертый управляющий выход блока управления 3 соединен со вторым управляемым входом блока оценки частоты 5. Выходы генератора опорного сигнала с дискретным шагом частоты 1 подключены к первым входам соответствующих канальных перемножителей , вторые входы которых объединены и являются входом предлагаемого устройства.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Предварительно по результатам корреляционной обработки [3] выполняют демодуляцию входного широкополосного радиосигнала, вследствие чего получают входной гармонический сигнал с несущей частотой широкополосного радиосигнала из области априорной неопределенности, который поступает на вход устройства.
По результатам оценки интервала частотной корреляции входного широкополосного радиосигнала формируют внешний управляющий сигнал, в соответствии с которым в блоке управления 3 формируют сигналы управления, обеспечивающие близкую к оптимальной точность оценки частотного рассогласования. Например, в соответствии с [3, 13] оптимальная ширина каждого частотного подынтервала  должна быть не более 1/3 интервала частотной корреляции входного ШПС. При этом в соответствии с сигналом управления с блока управления 3 в генераторе опорного сигнала с дискретным шагом частоты 1 на интервале неопределенности частоты с шагом  формируют гармонические опорные сигналы с центральными частотами для всех  параллельных частотных каналов и подают на первые входы соответствующих канальных перемножителей . На вторые входы канальных перемножителей  подают входной гармонический сигнал с несущей частотой широкополосного радиосигнала из области априорной неопределенности.
Оценку частотного рассогласования входного широкополосного радиосигнала и сигналов с генератора опорного сигнала с дискретным шагом частоты 1 осуществляют в каждом из частотных каналов на априорном интервале неопределенности частоты по результатам параллельной многоканальной обработки входного гармонического сигнала:
- по управляющему сигналу 1 с блока управления 3 в генераторе опорного сигнала с дискретным шагом частоты 1 формируют канальные центральные частоты , где ;
- по управляющему сигналу 2 и 3 с блока управления 3 в блоках канальной обработки  и в блоке оценки частоты 5 устанавливают необходимые интервалы временной обработки;
- в соответствии с внешним управляющим сигналом в блоке управления 3 формируют управляющий сигнал 4, по которому в блоке оценки частоты 5 устанавливают требуемую точность оценки частоты, и задают режим обработки выходных сигналов блоков канальной обработки , в соответствии с которым выбирается частотный канал с максимальным значением решающей функции  для частоты . Кроме того, используют значения решающей функции и соответствующие оценки частот соседних частотных каналов , . Данные сигналы подают на соответствующие входы узла высокоточной оценки частоты 6, в котором по внешнему управляющему сигналу выполняют процедуру высокоточной оценки частоты  [13]. Для оценки частотного сдвига используют квадратичную интерполяцию в соответствии с выражением:
где  значение решающей функции для центральной частоты - го частотного канала.
Известно, что в современных радиотехнических системах часто используют цифровые сигналы. Вследствие этого, в узлах заявляемого устройства целесообразно применять дискретные и цифровые сигналы. Для обработки таких сигналов наряду с аппаратными часто используют программные и вычислительные средства [14]. Это позволяет для реализации предлагаемого устройства высокоточной оценки частоты применять высокопроизводительные специализированные цифровые сигнальные процессоры, например (digital signal processor (DSP)) и быстродействующие программируемые логические интегральные схемы, (ПЛИС, Field Programmable Gate Array (FPGA)), например, типов 1892ВМ3Т (Multicore), 1892ВМ10Я (NVcom), FPGA Virtex-7 и их перспективные версии. Существует достаточно широкий перечень публикаций, посвященных данному вопросу, например, [15 - 17].
Таким образом достигается технический результат – повышение точности оценки несущей частоты входного широкополосного радиосигнала, уменьшение аппаратных и программных затрат при практической реализации данного устройства.
Литература
1. Куликов Е.И. Оценка параметров сигналов на фоне помех / Е.И. Куликов, А.П. Трифонов. – М.: Сов. радио, 1978. – 296 с. С. 86, 182.
2. Радиотехнические системы/ Ю.П. Гришин, В.П. Ипатов, Ю.М. Казаринов и др.; под ред. Ю.М. Казаринова. – М.: Высш. шк., 1990. – 496 с.
3. Варакин Л.Е.  Системы связи с шумоподобными сигналами /  Л.Е. Варакин. – М.: Радио и связь, 1985. – 384 с.
4. Luise M. Carrier frequency recovery in all-digital modems for burst-mode transmissions / M. Luise, R. Reggiannini // IEEE Trans. on Com.  – Feb./Mar./Apr., 1995.  –Vol. 43. – № 2/3/4. – P. 1169-1178.
5. Патент РФ. 2157050 RU, МПК7 H04B7/00 Способ определения частоты и устройство для его реализации (варианты) / А.В. Гармонов, Д.Е. Меняйлов, В.Б. Манелис. – 29.07.1999. – Опубл. 27.09.2000 // Бюллетень изобретений. – 2000. – № 27.
6. Патент РФ. 2168267 RU, МПК7 H03L7/06, H03J7/00 Способ автоподстройки частоты и устройство для его реализации (варианты) / А.В. Гармонов, В.Б. Манелис, Д.Е. Меняйлов и др. – 02.06.1999. – Опубл. 27.05.2001 // Бюллетень изобретений. – 2001. – № 15.
7. Патент РФ. 2286015 RU, МПК7 H04B7/00, H03J7/00, H04L27/30 Способ автоподстройки частоты опорного сигнала приемной станции, способ оценивания расстройки частоты сигналов лучей относительно частоты опорного сигнала, устройство автоподстройки частоты опорного сигнала приемной станции // А.В. Гармонов, В.Б. Манелис, А.И. Сергиенко и др. – 30.05.2005. – Опубл. 20.10.2006 // Бюллетень изобретений. – 2006. – № 29.
8. Каюков И.В. Анализ фазоразностного алгоритма оценки частоты сигнала / И.В. Каюков, В.Б. Манелис // Радиолокация, навигация, связь: Доклады 12 международной научно-технической конференции. – Воронеж, 2006. – Т. 2. – С. 1009-1014.
9. Витерби Э.Д. Принципы когерентной связи / Э.Д. Витерби; пер. с англ. под ред. Б.Р. Левина. – М.: Сов. радио, 1970. – 392 с.
10. Манелис В.Б. Алгоритм оценки частотного сдвига радиосигнала, использующий ЛЧМ опорный сигнал / В.Б. Манелис, А.И. Сергиенко // Изв. вузов. Радиоэлектроника. – 2007. – № 4. – С. 59-67.
11. Каюков И.В. Сравнительный анализ различных методов оценки частоты сигнала / И.В. Каюков, В.Б. Манелис // Изв. вузов. Радиоэлектроника.  – 2006. – № 7. – С. 42-55.
12. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов / В.И. Тихонов. – М.: Радио и связь, 1983. – 320 с.
13. Каюков И.В. Интерполяционный алгоритм оценки частоты сигнала / И.В. Каюков, В.Б. Манелис // Радиолокация, навигация, связь:  доклады  XII Междунар. науч.-техн. конф. – Воронеж, 2006. – Т. 2. – С. 1015-1021.
14. Куприянов М.С., Матюшкин Б.Д. Цифровая обработка сигналов: процессоры, алгоритмы, средства проектирования / М.С. Куприянов, Б.Д. Матюшкин. – Спб.: Политехника, 1999. – 592 с.
15. Максфилл К. Проектирование на ПЛИС. Курс молодого бойца / К. Максфилл. – М.: Издательский дом «Додэка XXI», 2007. – 408 c.
16. Бродин В.Б., Калинин А.В. Системы на микроконтроллерах и БИС программируемой логики / В.Б. Бродин, А.В. Калинин. – М.: Издательство ЭКОМ, 2002. – 400 с.
17. Грушвицкий Р.И., Мурсаев А.Х., Угрюмов Е.П. Проектирование систем на микросхемах программируемой логики / Р.И. Грушвицкий, А.Х. Мурсаев, Е.П. Угрюмов. – СПб.: БХВ – Петербург, 2002. – 608 с.