Способ демодуляции сигналов с относительной фазовой демодуляцией

Изобретение относится к способам приема цифровых сигналов, передаваемых методом относительной фазовой модуляции (ОФМ). Техническим результатом является повышение помехозащищенности способа демодуляции сигналов с ОФМ. Принимают сигнал, фильтруют и выравнивают его амплитуду, генерируют опорный сигнал и вычисляют его корреляционную функцию с принятым сигналом. Затем интегрируют корреляционную функцию последовательно и фиксируют ее значение. Вычисляют модуль разницы значений корреляционных функций на разных временных интервалах и сравнивают с скорректированным пороговым значением, которое вычисляют путем алгебраического сложения предварительно заданного порогового значения и вычисленного отклонения, определяемого значением «единицы» или «нуля» на выходе демодулятора. Пороговое значение корректируют на каждом этапе принятия решения в зависимости от соотношения «единиц» и «нулей» в демодулированном сигнале. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к способам приема цифровых сигналов, передаваемых методом относительной фазовой модуляции (ОФМ), и может быть реализовано в системах передачи данных.

Известен способ демодуляции сигналов с ОФМ, описанный в [Спилкер Дж. Цифровая спутниковая связь. Пер. с англ. / Под ред. В.В.Маркова. - М.: Связь, 1979, с.300]. Известный способ-аналог заключается в том, что формируют два (синфазный и квадратурный) опорных гармонических сигнала с частотой, равной средней частоте демодулируемого сигнала. Вычисляют на длительности элемента сигнала корреляционные функции раздельно с синфазным и квадратурным опорными сигналами. В момент окончания элемента сигнала фиксируют отсчеты указанных корреляционных функций. Оценку фазы демодулируемого сигнала выполняют путем вычисления функции arctg для отношения этих отсчетов. Затем сравнивают полученную оценку фазы с соответствующей оценкой фазы, полученной на предшествующем элементе сигнала, после чего принимают решение по методу сравнения фаз о переданном информационном элементе.

Недостатком указанного способа-аналога является относительно низкая его помехозащищенность, поскольку в условиях помех оценка фазы на выходе демодулятора перестает быть линейно-зависимой от фазы демодулируемого сигнала.

Известен способ-аналог [патент РФ №2099892, 1997 г., МПК6 H04L 27/22], заключающийся в том, что для ослабления влияния помех, находящихся вне полосы частот демодулируемого сигнала, предварительно осуществляют его фильтрацию. Так как в сигнале ОФМ информационным параметром является изменение фазы несущей, то для повышения помехозащищенности после фильтрации сигналов ОФМ осуществляют их ограничение по амплитуде. В результате из гармонического сигнала S(t) формируют последовательность прямоугольных импульсов S_п(t), соответствующих знаку мгновенных значений сигнала S(t). Затем формируют пару опорных последовательностей прямоугольных импульсов ^синS_п(t) и ^квадS_п(t), соответствующих знаку мгновенных значений синфазного и квадратурного гармонических сигналов с частотой, равной средней частоте демодулируемого сигнала. После этого вычисляют на длительности элемента сигнала две корреляционные функции Y и Х последовательности S_п(t) прямоугольных импульсов с опорными импульсными последовательностями ^синS_п(t) и ^квадS_п(t), соответственно. В результате получают в момент окончания элемента сигнала отсчеты Y_п и Х_п указанных корреляционных функций и принимают решение о переданном информационном символе на основе сформированной оценки фазы сигнала. Затем определяют знаки отсчетов Y_п и Х_п, вычисляют абсолютные значения отсчетов и формируют оценку фазы сигнала путем сравнения с константой.

Недостатком данного способа-аналога является относительно низкая помехозащищенность из-за отсутствия возможности учета изменения фазы демодулируемого сигнала, произошедшие под воздействием помех, действующих в полосе частот принимаемого сигнала.

Наиболее близким к заявляемому является способ демодуляции сигналов с ОФМ по патенту РФ №2271071, 2006 год, МПК⁶ H04L 27/22. В ближайшем аналоге принимают сигнал S(t), фильтруют и выравнивают его, генерируют опорный сигнал S₀(t), вычисляют корреляционную функцию Y(t) между опорным сигналом S₀(t) и отфильтрованным сигналом с выровненной амплитудой S_C(t). Затем фильтруют результат произведения сигналов S₀(t) и S_C(t) в блоке уменьшения уровня помехи, обусловленной изменением полярности видеосигнала на выходе фильтра низких частот за время τ, т.е. времени, в течение которого на длительности элемента сигнала Т формируют корреляционную функцию Y(t). Затем интегрируют корреляционную функцию Y(t) последовательно на длительности Т и фиксируют ее значение Y_n по окончании элемента сигнала. Вычисляют абсолютное значение разности |^PY_n| между текущим и предшествующим значением корреляционных функций Y_n и Y_n-1, соответственно на n-м и на (n-1)-м временных интервалах Т. Полученное значение модуля разности |^PY_n| сравнивают с предварительно сформированным порогом Y_пор по правилу: если выполняется неравенство |^PY_n|-Y_пор>0, то решение о демодулируемом элементе принимают равным «единица», а в случае невыполнения неравенства принимают равным «нуль».

Недостатком способа-прототипа является относительно низкая помехозащищенность, обусловленная тем, что решение о демодулируемом символе принимают путем сравнения с предварительно сформированным в отсутствии помех неизменным порогом Y_пор, который не учитывает изменения фазы демодулируемого сигнала в результате воздействия помехи.

Целью заявленного технического решения является разработка способа демодуляции сигналов с ОФМ, обеспечивающего повышение помехозащищенности за счет адаптивного изменения значения порога принятия решения о принятом информационном элементе в зависимости от вероятности появления значений «единица» и «нуль» в выходной последовательности демодулятора в условиях изменения в широких пределах уровня демодулируемого сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе демодуляции сигналов с ОФМ принимают сигнал S(t), фильтруют и выравнивают его амплитуду, генерируют опорный сигнал S₀(t), вычисляют корреляционную функцию Y(t) между опорным сигналом S₀(t) и отфильтрованным сигналом с выровненной амплитудой S_C(t) путем их перемножения Y(t)=S_C(t)S₀(t) интегрируют корреляционную функцию Y(t) последовательно на временных интервалах длительностью Т и фиксируют ее значение Y_n по окончании n-го интервала времени T, где n=1, 2, …, вычисляют модуль разницы |^PY_n| значений корреляционных функций Y_n и Y_n-1, соответственно на n-м и на (n-1)-м временных интервалах Т, полученное значение модуля разницы |^PY_n| сравнивают с предварительно заданным пороговым значением Y_пор корреляционной функции и при выполнении условия |^PY_n|>Y_пор присваивают принятому информационному элементу значение «единица», в противном случае - «нуль». Перед вычислением модуля разности |^PY_n| ограничивают амплитуду значения корреляционной функции Y_n-1, а полученное значение модуля разницы |^PY_n| сравнивают с скорректированным пороговым значением , которое вычисляют путем алгебраического сложения предварительно заданного порогового значения корреляционной функции Y_пор и заданного отклонения , причем значение отклонения выбирают со знаком плюс, если информационному элементу на выходе демодулятора присвоено значение «единица», и со знаком «минус», если информационному элементу на выходе демодулятора присвоено значение «нуль». Пороговое значение корреляционной функции Y_пор выбирают равным половинному значению суммы модуля значения элемента корреляционной функции Y_n и ограниченному по амплитуде модулю значения Y_n-1. Амплитуду сигнала S(t) выравнивают до уровня, равного амплитуде сигнала S₀(t), и сохраняют это значение на всем интервале времени существования сигнала S(t).

Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе обеспечивается возможность адаптивного изменения значений порога принятия решения о принятом информационном элементе в зависимости от частости появления значений «единица» и «нуль» в выходной последовательности демодулятора, что указывает на повышение помехозащищенности способа демодуляции сигналов с ОФМ.

Заявленное изобретение поясняется чертежами, на которых

фиг.1 поясняет принцип демодуляции сигналов с ОФМ без помех, вносимых каналом;

фиг.2 поясняет принцип демодуляции сигналов с ОФМ в условиях помех, приводящих к преобладанию значений «единица» в демодулированной последовательности;

фиг.3 поясняет принцип демодуляции сигналов с ОФМ в условиях помех, приводящих к преобладанию значений «нуль» в демодулированной последовательности.

Реализация заявленного способа заключается в следующем.

Существующая проблема заключается в том, что использование предварительно установленного порогового значения Y_пор корреляционной функции между опорным сигналом S₀(t) и отфильтрованным сигналом с выровненной амплитудой S_С(t) не позволяет учитывать результат воздействия помехи на канал приема, приводящей к увеличению частости появления или только значений «единица», или только значений «нуль».

Поэтому предлагается корректировать значение предварительно заданного порога Y_пор в зависимости от частости появления значений «единица» и «нуль» на выходе демодулятора и тем самым компенсировать результат негативного воздействия помех, что и обеспечивается в заявляемом способе.

Последовательность действий над сигналом реализуется следующим образом.

Сигнал с ОФМ принимают в виде аналогового сигнала S(t) по тракту приема. Процедуры приема аналоговых сигналов известны и описаны, например, в [Дж.Возенкрафт, И.Джекобс. Теоретические основы техники связи. Пер. с англ. - М.: Издат «Мир», 1969. С.216-226].

Затем принятый аналоговый сигнал S(t) фильтруют и выравнивают его амплитуду. После этого генерируют опорный сигнал S₀(t). Операции фильтрации, выравнивания амплитуды аналоговых сигналов и генерации опорного сигнала известны и описаны в [Б.Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. с.135-138]. Причем операцию выравнивания амплитуды по п.3 формулы заявляемого способа можно реализовать на основе применения усилителя-ограничителя.

Вычисляют корреляционную функцию Y(t) между сигналами S_C(t) и S_C(t) путем их перемножения Y(t)=S_C(t)S₀(t). Операция вычисления корреляционной функции известна и описана в [Сато Ю. Обработка сигналов. Первое знакомство. / Пер. с яп.,/ Под ред. Есифуми Амэмия. - М.: Издательский дом «Додека-XXI», 2002. - 176 с., с.66].

Интегрируют корреляционную функцию Y(t) последовательно на временных интервалах длительностью Т и фиксируют ее значение Y_n окончании n-го интервала времени Т, где п=1, 2, …. Указанные операции известны и описаны, например, в [Б.Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. с.135-138].

Затем вычисляют модуль разницы |^PY_n| значений корреляционных функций Y_n и Y_n-1, соответственно на n-м и на (n-1)-м временных интервалах Т. Причем перед вычислением модуля разности |^PY_n| ограничивают амплитуду значения корреляционной функции Y_n-1. Ограничение амплитуды корреляционной функции Y_n-1 можно реализовать, например, за счет использования усилителя-ограничителя. Операции вычисления модуля разности |^PY_n| также известны и описаны, например, в [Б.Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. с.223-224].

После этого полученное значение модуля разницы |^PY_n| сравнивают с скорректированным пороговым значением , которое вычисляют путем алгебраического сложения предварительно заданного порогового значения корреляционной функции Y_пор и заданного отклонения , причем значение отклонения выбирают со знаком плюс, если информационному элементу на выходе демодулятора присвоено значение «единица», а если информационному элементу на выходе демодулятора присвоено значение «нуль», то отклонение , выбирают со знаком «минус». Операции сложения и принятия решения известны и описаны, например, в [Б.Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. с.206-210]. Задать пороговое значение можно, например, путем установления напряжения соответствующего номинала на потенциометре, а также изменять его в зависимости от значения информационного элемента «единица» и «нуль» на выходе демодулятора.

Выбор порогового значения Y_пор, равного половине значения суммы модуля элемента корреляционной функции Y_n и ограниченному по амплитуде модулю значения Y_n-1, можно реализовать путем выполнения операций, которые описаны, например, в [Б.Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. с.206-210].

При выполнении условия |^PY_n|>Y_пор присваивают принятому информационному элементу значение «единица», в противном случае - «нуль». Указанные операции известны и описаны, например, в способе-прототипе [патент РФ №2271071, 2006 год, МПК H04L 27/22].

В основу сущности способа демодуляции сигналов с ОФМ положен принцип увеличения помехоустойчивости за счет изменения порога принятия решения о принятом символе в выходной последовательности демодулятора. Двоичный сигнал на выходе отдельных ступеней формирования групповых потоков может иметь произвольную статистическую структуру следования значений «единица» и «нуль», что не удовлетворяет требованиям к постоянству спектральной плотности мощности передаваемого сигнала. Поэтому в передающей части канала связи после операции кодирования осуществляют операцию скремблирования, обеспечивающую равномерное распределение информационных элементов «единица» и «нуль» в выходной последовательности [Григорьев В.А. Сигналы современных зарубежных систем электросвязи: Учебник. - СПб.: ВАС, 2007. с.126-127].

Следовательно, если появление значений «единица» и «нуль» в выходной последовательности модулятора перестает быть равномерным, то это говорит о воздействии помех на передаваемые сигналы в канале связи. А аддитивное изменение порога принятия решения о принятом символе при демодуляции сигнала позволяет исправлять эти ошибки.

На» фиг.1 представлена иллюстрация принципа демодуляции сигнала с ОФМ при отсутствии помехи в канале связи.

Решение о принятом символе осуществляют на основе сравнения модуля разницы значения корреляционной функции |^PY_n| с предварительно заданным пороговым значением этой корреляционной функции Y_пор (для способа-прототипа) или рассчитанным значением по окончании предыдущего такта Т (для заявляемых способов-вариантов).

На фиг.1а показана автокорреляционная функция Y(t) опорного сигнала S₀(t) и отфильтрованного сигнала с выровненной амплитудой S_C(t). На фиг.1б показана функция Y_п, представляющая результат интегрирования автокорреляционной функции Y(t) на каждом из временных интервалов Т. На фиг.1в изображена функция Y_n-1, представляющая сдвинутую на один тактовый интервал функцию Y_n, с уменьшенным значением амплитуды. На фиг.1г показана функция |^PY_n|, представляющая значение модуля разницы между функциями Y_n и Y_n-1 на каждом временном интервале. Здесь же нанесено предварительно заданное пороговое значение Y_пор (для способа-прототипа) и рассчитываемое на каждом шаге значение путем сложения или вычитания исходного значения Y_пор и отклонения порогового значения корреляционной функции . На фиг.1д показан результирующий демодулированный сигнал.

Процессы формирования функций Y(t), Y_n, Y_n-1 и |^PY_n| известны и описаны в патенте РФ №2271071,2006 год, МПК⁶ H04L 27/22.

На фиг.2 представлена иллюстрация принципа демодуляции сигнала с ОФМ в условиях помех в канале связи, приводящих к ошибкам, увеличивающих частость следования значений «единица». Ошибки в корреляционной функции Y(t) показаны пунктирной линией (см. фиг 2a). А ошибки функций Y_n, Y_n-1 и |^PY_n| показаны серым цветом (см. фиг.2б, 2в, 2г). В ситуации, представленной на фиг.2, возникшие в канале связи помехи привели к ошибкам функции |^PY_n| на интервалах Т₄ и Т₅. (В демодуляторе сигналов с ОФМ ошибка на входе ведет к удвоению ошибок на выходе, поскольку неправильно принятый сигнал используется для определения текущего значения функции |^PY_n| на интервале Т_n и T_n+1 [Б.Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. с.222]). В результате при неизменном пороговом значении корреляционной функции Y_пор на выходе демодулятора ошибки возникли на интервале Т₄ и T₅. В то же время использование порогового значения позволило вдвое сократить число ошибок на выходе демодулятора. Ошибка только на интервале T₅ (см. фиг.2д).

На фиг.3 представлена иллюстрация принципа демодуляции сигнала с ОФМ в условиях помех в канале связи, приводящих к ошибкам, увеличивающих частость следования логических значений «нуль». Ошибки в корреляционной функции Y(t) показаны пунктирной линией (см.3а). А ошибки функций Y_n, Y_n-1 и |^PY_n| показаны серым цветом (см. фиг.3б, 3в, 3г). В ситуации, представленной на фиг.3, возникшие в канале связи помехи привели к ошибкам функции |^PY_n| на интервалах Т₁₀ и Т₁₁. В результате при неизменном пороговом значении корреляционной функции Y_пор на выходе демодулятора ошибки возникли на интервале Т₁₀ и Т₁₁. В то же время использование порогового значения позволило вдвое сократить число ошибок на выходе демодулятора. Ошибка только на интервале T₁₁ (см. фиг.3д).

Таким образом, в заявленном техническом решении достигается сформулированный технический результат - повышение помехозащищенности при демодуляции сигналов с ОФМ.

1. Способ демодуляции сигналов с относительной фазовой модуляцией, заключающийся в том, что принимают сигнал S(t), фильтруют и выравнивают его амплитуду, генерируют опорный сигнал S₀(t), вычисляют корреляционную функцию Y(t) между опорным сигналом S₀(t) и отфильтрованным сигналом с выровненной амплитудой S_С(t) путем их перемножения Y(t)=S_C(t)S₀(t), интегрируют корреляционную функцию Y(t) последовательно на временных интервалах длительностью Т и фиксируют ее значение Y_n по окончанию n-го интервала времени Т, где n=1, 2, …, вычисляют модуль разницы |^pY_n| значений корреляционных функций Y_n и Y_n-1 соответственно на n-м и на (n-1)-м временных интервалах Т, полученное значение модуля разницы |^pY_n| сравнивают с предварительно заданным пороговым значением Y_пор корреляционной функции и при выполнении условия |^pY_n|>Y_пор присваивают принятому информационному элементу значение «единица», в противном случае - «нуль», отличающийся тем, что перед вычислением модуля разности |^pY_n| ограничивают амплитуду значения корреляционной функции Y_n-1, a полученное значение модуля разницы |^pY_n| сравнивают с скорректированным пороговым значением , которое вычисляют путем алгебраического сложения предварительно заданного порогового значения корреляционной функции Y_пор и заданного отклонения , причем значение отклонения выбирают со знаком «плюс», если информационному элементу на выходе демодулятора присвоено значение «единица», и со знаком «минус», если информационному элементу на выходе демодулятора присвоено значение «нуль».

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пороговое значение корреляционной функции Y_пор выбирают равным половинному значению суммы модуля значения элемента корреляционной функции Y_n и ограниченному по амплитуде модулю значения Y_n-1.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что амплитуду сигнала S(t) выравнивают до уровня, равного амплитуде сигнала S₀(t), и сохраняют это значение на всем интервале времени существования сигнала S(t).