Некогерентный обнаружитель псевдослучайных сигналов при частотных нестабильностях в канале связи

Изобретение относится к области радиосвязи и может найти применение в системах, использующих широкополосные псевдослучайные сигналы (ПСП). Целью изобретения является устойчивое обнаружение ПСП в условиях наличия больших частотных расстроек принимаемых сигналов относительно опорной частоты обнаружителя и при слабой энергетике радиолинии. Устройство содержит два квадратурных канала, фазовращатель на π/2, гетеродин, три сумматора, пороговое устройство, каждый из квадратурных каналов содержит перемножитель, полосовой фильтр, аналого-цифровой преобразователь, цифровой согласованный фильтр, накопитель, детектор максимального сигнала, селектор, осреднитель и два квадратора. 1 ил.

 

Изобретение относится к области радиосвязи и может найти применение в системах, использующих широкополосные псевдослучайные сигналы (ШПС), (например, в системах беспроводного доступа, фиксированной, сухопутной подвижной и спутниковой связи).

Известны системы сотовой и спутниковой связи, использующие ШПС, а именно система сотовой подвижной связи стандарта IS-95 на основе технологии многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (МДКР), (в иностранной терминологии - (CDMA)); система спутниковой связи «Глобалстар» (США); система SAT-CDMA (Ю.Корея) и система SW-CDMA (Европейское космическое агентство - ESA), а также перспективные системы с МДКР, такие как CDMA-450, CDMA-2000 и WCDMA [1].

Эффективное функционирование данных систем во многом зависит от обеспечения синхронной работы их передающих и приемных устройств, которая может быть нарушена вследствие как взаимной нестабильности частот передаваемых и опорных сигналов, так и эффекта Доплера, обусловленного перемещением в пространстве передающих и приемных устройств относительно друг друга со значительными скоростями.

Основным элементом приемника, обеспечивающим обнаружение сигналов, является согласованный фильтр (СФ), эффективная работа которого зависит от степени совпадения несущих и тактовых частот сигналов в передатчике и приемнике (обнаружителе), т.е. являются ли они одинаковыми или близкими в некоторых допустимых пределах. Известно [2], что если расхождение сигналов не превышает длительности одного символа псевдослучайной последовательности (ПСП), то в результате свертки ПСП на выходе СФ появится максимальный по величине отклик (напряжение).

Нестабильность частот является серьезной причиной, затрудняющей обнаружение передаваемых сигналов и последующую синхронную работу передающих и приемных устройств. Особенно остро эта проблема стоит в системах, которые используют ПСП большой длительности.

Пусть относительная нестабильность частот δ· равна 2·10^-3, а длина ПСП используемых сигналов N=2000 символов. Тогда расхождение принимаемого и опорного сигналов на интервале длительности ПСП в СФ обнаружителя составит Δ=δ·N=2·10^-3·2000=4,0 символа, а расхождение не более 1,0 символа произойдет на интервале до 500 символов ПСП, т.е. в СФ не произойдет полной свертки принимаемого сигнала, а только ее четвертая часть.

Для того чтобы при данной нестабильности частот произошла полная свертка принимаемого сигнала, необходимо уменьшить длину ПСП до величины N=500 символов. При такой длине ПСП расхождение сигналов в СФ на интервале длительности ПСП составит величину Δ=δ·N=2·10^-3·500=1, т.е. один символ, что гарантирует наличие полной свертки сигналов. Однако при этом максимальная амплитуда отклика U_0TK на выходе СФ будет в 4 раза (2000/500), а по мощности - в раз меньше, чем могло бы быть при отсутствии рассогласования в СФ при длине ПСП, равной 2000 символам. Очевидно, что такие потери недопустимы.

Целью настоящего изобретения является создание некогерентного обнаружителя псевдослучайных сигналов при частотных нестабильностях в канале связи, который обеспечивал бы устойчивое обнаружение ПСП в условиях наличия больших частотных расстроек принимаемых сигналов относительно опорной частоты обнаружителя и при слабой энергетике радиолинии, то есть решал бы проблему обнаружения сигнала без значительных потерь его энергии на выходе обнаружителя.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является обнаружитель псевдослучайных сигналов [2, с.194, рис.6.6], включающий два квадратурных канала, первый из которых состоит из последовательно соединенных первого перемножителя, первого усилителя, первого согласованного фильтра и первого квадратичного детектора, а второй квадратурный канал - из последовательно соединенных второго перемножителя, второго усилителя, второго согласованного фильтра и второго квадратичного детектора, а также сумматор, выход которого является выходом обнаружителя, фазовращатель на π/2 и гетеродин, первые входы первого и второго перемножителей объединены и являются входом обнаружителя, выход гетеродина соединен со вторым входом первого перемножителя и через фазовращатель на π/2 - со вторым входом второго перемножителя, выход первого квадратичного детектора соединен с первым входом сумматора, а выход второго квадратичного детектора - со вторым входом сумматора.

Указанная цель достигается тем, что в известный обнаружитель псевдослучайных сигналов, включающий два квадратурных канала, первый из которых состоит из последовательно соединенных первого перемножителя, первого усилителя, первого согласованного фильтра и первого квадратичного детектора, а второй квадратурный канал - из последовательно соединенных второго перемножителя, второго усилителя, второго согласованного фильтра и второго квадратичного детектора, а также сумматор, выход которого является выходом обнаружителя, фазовращатель на π/2 и гетеродин, первые входы первого и второго перемножителей объединены и являются входом обнаружителя, выход гетеродина соединен со вторым входом первого перемножителя и через фазовращатель на π/2 - со вторым входом второго перемножителя, выход первого квадратичного детектора соединен с первым входом сумматора, а выход второго квадратичного детектора - со вторым входом сумматора,

внесены следующие изменения: исключен сумматор, в первом квадратурном канале исключены первый усилитель, первый согласованный фильтр и первый квадратичный детектор, а во втором квадратурном канале - второй усилитель, второй согласованный фильтр и второй квадратичный детектор, а также введены новые элементы и соответствующие связи между ними, а именно:

в первый квадратурный канал введены последовательно соединенные первый полосовой фильтр, вход которого соединен с выходом первого перемножителя, первый аналого-цифровой преобразователь, первый цифровой согласованный фильтр, N выходов которого, каждый в отдельности, соединены с соответствующими N входами первого накопителя, где N - длина псевдослучайной последовательности, a N выходов первого накопителя, каждый в отдельности, соединены с соответствующими N входами первого детектора максимального сигнала и с соответствующими N входами первого селектора, первый выход первого детектора максимального сигнала соединен с первым и вторым входами первого квадратора, а второй выход первого детектора максимального сигнала соединен с (N+1)-м входом первого селектора, а N выходов первого селектора, каждый в отдельности, соединены с соответствующими N входами первого осреднителя, а выход первого осреднителя соединен с первым и вторым входами второго квадратора, выход которого соединен с первым входом первого сумматора,

а во второй квадратурный канал введены последовательно соединенные второй полосовой фильтр, вход которого соединен с выходом второго перемножителя, второй аналого-цифровой преобразователь, второй цифровой согласованный фильтр, N выходов которого, каждый в отдельности, соединены с соответствующими N входами второго накопителя, а N выходов второго накопителя, каждый в отдельности, соединены с соответствующими N входами второго детектора максимального сигнала и с соответствующими N входами второго селектора, первый выход второго детектора максимального сигнала соединен с первым и вторым входами третьего квадратора, а второй выход второго детектора максимального сигнала соединен с (N+1)-м входом второго селектора, N выходов второго селектора, каждый в отдельности, соединен с соответствующими N входами второго осреднителя, выход которого соединен с первым и вторым входами четвертого квадратора, выход четвертого квадратора соединен со вторым входом первого сумматора,

выход первого сумматора соединен с первым входом второго сумматора, на второй вход которого подается напряжение порога U_п, выход первого квадратора соединен с первым входом третьего сумматора, а выход третьего квадратора - со вторым входом третьего сумматора, выход которого соединен с первым входом порогового устройства, выход второго сумматора соединен с вторым входом порогового устройства, выход порогового устройства является выходом обнаружителя.

Отличительными признаками предлагаемого устройства являются введенные в его схему новые элементы, а именно: первый и второй полосовые фильтры, первый и второй аналого-цифровые преобразователи, первый и второй цифровые согласованные фильтры, первый и второй накопители, первый и второй детекторы максимального сигнала, первый и второй селекторы, первый и второй осреднители, первый, второй, третий и четвертый квадраторы, первый, второй и третий сумматоры, а также пороговое устройство и соответствующие связи между ними, благодаря чему удается обеспечить устойчивое обнаружение ПСП в условиях наличия значительного рассогласования принимаемого и опорного сигналов по частоте и при слабой энергетике радиолинии, что соответствует критерию «новизна».

Поскольку совокупность введенных элементов и их связи до даты подачи заявки в патентной и научной литературе не обнаружены, то предлагаемое техническое решение соответствует «изобретательскому уровню».

Структурная схема устройства представлена на чертеже. Цифрами на чертеже обозначены:

1 - гетеродин (Г);

2 - фазовращатель на π/2 (ФВ);

3, 4 - перемножитель (П);

5, 9 - полосовой фильтр (ПФ);

6, 10 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

7, 11 - цифровой согласованный фильтр (ЦСФ);

8, 12 - накопитель (Н);

13, 18 - детектор максимального сигнала (ДМС);

14, 17- селектор (С);

15, 16 - осреднитель (О);

19, 20, 21, 22 - квадратор (К);

23, 24, 25 - сумматор (См);

26 - пороговое устройство (ПУ).

Работу некогерентного обнаружителя псевдослучайных сигналов при частотных нестабильностях в канале связи рассмотрим по структурной схеме, которая изображена на чертеже.

Пусть на вход устройства (первые входы первого (4) и второго (3) П поступает радиосигнал вида X(t)=A(t)·cos(ωt+ϕ), модулированный ПСП A(t), а на вторые входы П(4) и (3) поступает сигнал от гетеродина (1), причем на второй вход П(4) сигнал от гетеродина (1) поступает непосредственно и имеет вид cos(ω₀t), а на второй вход П (3) - через ФВ (2) и имеет вид sin(ω₀t). В перемножителях (3) и (4) происходит перемножение сигналов и на их выходах появляются две квадратурные составляющие, а именно: на выходе П(4) составляющая вида

а на выходе П(3) составляющая вида

где ω - угловая частота входного сигнала;

ω₀ - угловая частота опорного сигнала обнаружителя;

ϕ - начальная фаза входного сигнала.

Гармонические составляющие суммарной частоты подавляются ПФ (5) и (9), а составляющие разностной частоты свободно проходят через эти фильтры и поступают на соответствующие входы аналого-цифровых преобразователей (6) и (10). В АЦП (6) и (10) поступивший непрерывный сигнал разностной частоты преобразуется в цифровую форму, т.е. аналоговая входная величина преобразуется в соответствующее число. Сигналы разностной частоты с выходов АЦП (6) и (10) в цифровой форме поступают на входы цифровых согласованных фильтров (7) и (11) соответственно.

В ЦСФ (7) и (11) происходит сжатие сигнала и на каждом N-м их выходе формируются отсчеты взаимокорреляционной функции (ВКФ) псевдослучайного сигнала с периодом N, причем на одном из N входов ЦСФ (7) и (11) присутствует отсчет максимального уровня, соответствующий максимальному значению ВКФ, а на остальных выходах присутствуют отсчеты боковых выбросов ВКФ в смеси с шумом, который, как правило, превышает значение боковых выбросов ВКФ [3].

Отсчеты ВКФ с каждого из N выходов ЦСФ (7) и (11) один раз за период ПСП поступают на соответствующие N-е входы накопителей (8) и (12). В накопителях (8) и (12) отдельно по каждому из N входов осуществляется суммирование отсчетов ВКФ по n периодам ПСП. Значения отсчетов ВКФ по n периодам ПСП с каждого из N выходов накопителей (8) и (12), по каждому в отдельности, поступают на соответствующие N-е входы детекторов максимального сигнала (13) и (18) и соответствующие N-е входы селекторов (14) и (17).

ДМС (13) и (18) через каждые n периодов ПСП фиксируют величину максимального значения ВКФ в каждом квадратурном канале и номер входа, по которому это значение поступило. Максимальное значение ВКФ через первые выходы ДМС (13) и (18) поступает на соответствующие входы квадраторов (21) и (22), а сигнал с информацией о номере входа, по которому поступило в ДМС (13) и (18) максимальное значение отчета ВКФ от накопителей (8) и (12), через вторые выходы ДМС (13) и (18) поступает на (N+1)-е входы селекторов (14) и (17) и блокирует номер входа селектора, по которому поступает отсчет с максимальным уровнем ВКФ.

Отсчеты ВКФ с каждого из N выходов накопителей (8) и (12) через селекторы (14) и (17) поступают на соответствующие входы осреднителей (15) и (16) (через каждый селектор проходят только по (N-1) отсчетов, поскольку вход, по которому поступает отсчет с максимальным уровнем ВКФ блокирован). В осреднителях (15) и (16) сначала проводится суммирование всех поступивших отсчетов ВКФ (по всем (N-1) входам), а полученная сумма делится на число [n·(N-1)], т.е. выполняется операция

где х_i - значение отсчета ВКФ на i-м входе O, i=1, ..., (N-1);

n - число накапливаемых периодов псевдослучайного сигнала.

На выходе О (15) и (16) появляется среднее значение шума, отнесенное к одному отсчету на одном периоде сигнала в каждом квадратурном канале. Среднее значение шума с выхода О (15) и (16) поступает на первый и второй входы соответствующих квадраторов (20) и (19), на выходе каждого из которых появляется отсчет мощности шума на одном периоде ПСП на выходе квадратурного канала. Среднее значение мощности шума с выхода К (20) поступает на первый вход См (23), а среднее значение мощности шума с выхода (19) поступает на второй вход См (23). В См (23) происходит сложение входных сигналов, а на его выходе появляется результирующий отсчет мощности шума на периоде ПСП, который поступает на первый вход См (24). На второй вход См (24) подается пороговой сигнал U_п. Величина U_п зависит от ожидаемого медианного значения шума в канале связи. В результате сложения в См (24) порогового сигнала U_п с результирующим значением мощности шума на периоде ПСП на его выходе формируется значение динамического порога, который подается на второй вход ПУ (26).

В квадраторах (21) и (22) поступившие сигналы возводятся в квадрат, и на их выходах появляется отсчет мощности сигнала на одном периоде ПСП (выходы К (21) и (22) являются сигнальными выходами квадратурных каналов). Сигнал с выхода К (21) поступает на первый вход См (25), а сигнал с выхода К (22) - на второй вход См (25). В результате сложения в См (25) на его выходе появляется суммарное значение мощности сигнала двух кадратурных каналов на одном периоде длительностью nN, которое поступает на первый вход ПУ (26). В пороговом устройстве (26) происходит сравнение уровней сигнала и динамического порога. Если уровень сигнала превышает динамический уровень порога, то принимается решение о наличии сигнала, если уровень сигнала ниже порогового значения, то принимается решение об отсутствии сигнала.

Сравнительная оценка функциональных возможностей заявляемого устройства и прототипа

Системы радиосвязи, и в первую очередь спутниковые, характеризуются ограничениями по излучаемой мощности сигналов и наличием определенных частотных расстроек принимаемых сигналов относительно опорных частот приемников из-за эффекта Доплера, а также из-за нестабильности частот генераторов, вырабатывающих опорные частоты, и по иным причинам.

Так, в системах спутниковой связи с кодовым разделением каналов используются псевдослучайные последовательности, период которых равен или превышает 2048 элементов символов.

Известно, что в каналах синхронизации систем спутниковой связи, с одной стороны, с целью сокращения интервала времени на установление синхронизации передающих и приемных устройств, а также ограничений на массово-габаритные характеристики и на энергопотребление стремятся использовать ПСП небольшой длительности, а с другой стороны, для надежного установления и поддержания синхронизации в условиях помех и при слабой энергетике радиолинии необходимо использовать псевдослучайные последовательности большой длительности. Обычно с учетом изложенных условий период ПСП выбирается не менее 2048 символам.

Пусть для обеспечения надежной и устойчивой работы устройства-прототипа в условиях помех необходима ПСП, период которой N равен 2048 символам. Тогда требуемое отношение сигнал/шум на входе устройства, принимающего решение, можно записать в виде [2]

где Е - энергия сигнала при ПСП, период которой составляет 2048 символов;

N_o - односторонняя плотность помехи;

Р - мощность сигнала;

F - эффективная ширина спектра сигнала;

σ² - дисперсия (мощность) помехи;

Т - длительность периода сигнала.

Если относительная частотная расстройка δ принимаемых сигналов относительно опорной частоты приемника составляет 10^-3, то передаваемая и принимаемая последовательности могут разойтись за один период ПСП на величину, равную 2,048 символам (N·δ=2048·10^-3), т.е. в СФ не произойдет полной свертки принимаемого сигнала, а только ее половина. Это приведет к уменьшению отклика на выходе согласованного фильтра в 2 раза и к потере мощности принимаемого сигнала - в 4 раза, и выражение (1) примет вид

Т.е. отношение сигнал/шум q на входе устройства, принимающего решение, будет в 4 раза меньше требуемой, и обнаружитель (устройство-прототип) при таком отношении сигнал/помеха работать не будет.

Для заявляемого устройства с учетом значения δ=10^-3 выберем ПСП длиной N*=1024. В этом случае передаваемая и принимаемая последовательности могут разойтись за один период ПСП на величину, равную 1,024 символа, т.е. в СФ произойдет полная свертка принимаемого сигнала и потери его энергии при обработке в согласованном фильтре не будет. Однако из-за того, что N* в 2 раза меньше N, отклик по амплитуде на выходе согласованного фильтра будет в 2 раза меньше, а по мощности - в 4 раза. В этом случае потребуется использование накопителя откликов сигналов на выходе согласованного фильтра по 2 периодам ПСП, т.е. n=2, а также использование осреднителей для уменьшения дисперсии помех. Осреднение дисперсии помех происходит по периодам используемой ПСП n и по элементам ПСП N. После всех преобразований отношение сигнал/помеха на входе устройства, принимающего решение в заявляемом устройстве, будет

где и - энергия первой и второй посылки ПСП длительностью 1024 символа.

- односторонняя плотность помехи;

Р - мощность сигнала;

F - эффективная ширина спектра сигнала;

(σ^*)² - дисперсия (мощность) помехи после осреднения. Причем

(σ^*)²<(σ)²;

Т₁=Т₂ - длительность периода ПСП длиной 1024 символа. Причем

Т₁+Т₂=T.

Из сравнения выражений (1) и (3) следует, что отношение сигнал/помеха на входе устройства, принимающего решение в заявленном устройстве, соответствует заявленным требованиям. Следовательно, предлагаемое устройство обеспечивает устойчивое обнаружение ПСП в условиях больших частотных расстроек принимаемых сигналов относительно опорной частоты обнаружителя и решает проблему обнаружения сигнала без значительных потерь его энергии на выходе обнаружителя.

Источники информации

1. Новые стандарты широкополосной радиосвязи на базе технологии W-CDMA, М.: Международный центр научно-технической информации, 1999 (стр.38-58).

2. Алексеев А.И., Шереметьев А.Г., Тузов Г.И., Глазов Б.И. Теория и применение псевдослучайных сигналов. - М.: Наука, 1969. - 367 с.

3. Варакин Л.Е. Теория сложных сигналов. - М.: Советское радио, 1970. - 375 с.

Некогерентный обнаружитель псевдослучайных сигналов при частотных нестабильностях в канале связи, в состав которого входят два квадратурных канала, фазовращатель на π/2 и гетеродин, причем первый квадратурный канал состоит из первого перемножителя, а второй квадратурный канал - из второго перемножителя, первые входы первого и второго перемножителей объединены и являются входом обнаружителя, выход гетеродина соединен со вторым входом первого перемножителя, а через фазовращатель на π/2 - со вторым входом второго перемножителя, отличающийся тем, что в схему первого квадратурного канала дополнительно введены последовательно соединенные первый полосовой фильтр, вход которого соединен с выходом первого перемножителя, первый аналого-цифровой преобразователь, первый цифровой согласованный фильтр, N выходов которого, каждый в отдельности, соединены с соответствующими N входами первого накопителя, где N - длина псевдослучайной последовательности, а N выходов первого накопителя, каждый в отдельности, соединены с соответствующими N входами первого детектора максимального сигнала и с соответствующими N входами первого селектора, первый выход первого детектора максимального сигнала соединен с первым и вторым входами первого квадратора, а второй выход первого детектора максимального сигнала соединен с (N+1)-м входом первого селектора, N выходов первого селектора, каждый в отдельности, соединены с соответствующими N входами первого осреднителя, а выход первого осреднителя соединен с первым и вторым входами второго квадратора, а во второй квадратурный канал введены последовательно соединенные второй полосовой фильтр, вход которого соединен с выходом второго перемножителя, второй аналого-цифровой преобразователь, второй цифровой согласованный фильтр, N выходов которого, каждый в отдельности, соединены с соответствующими N входами второго накопителя, а N выходов второго накопителя, каждый в отдельности, соединены с соответствующими N входами второго детектора максимального сигнала и с соответствующими N входами второго селектора, первый выход второго детектора максимального сигнала соединен с первым и вторым входами третьего квадратора, а второй выход второго детектора максимального сигнала соединен с (N+1)-м входом второго селектора, N выходов второго селектора, каждый в отдельности, соединены с соответствующими N входами второго осреднителя, выход которого соединен с первым и вторым входами четвертого квадратора, выход второго квадратора соединен с первым входом первого сумматора, выход четвертого квадратора соединен со вторым входом первого сумматора, выход первого сумматора соединен с первым входом второго сумматора, на второй вход которого подается напряжение порога U_n, выход первого квадратора соединен с первым входом третьего сумматора, а выход третьего квадратора - со вторым входом третьего сумматора, выход которого соединен с первым входом порогового устройства, выход второго сумматора соединен со вторым входом порогового устройства, выход порогового устройства является выходом обнаружителя.