Способ демодуляции сигналов с относительной фазовой демодуляцией

Изобретение относится к способам приема цифровых сигналов, передаваемых методом относительной фазовой модуляции (ОФМ). Достигаемый технический результат - повышение помехозащищенности способа демодуляции сигналов с ОФМ за счет использования свойств, обусловленных представлением сигналов в виде трехмерных матриц оконного преобразования Фурье. Способ характеризуется тем, что принимают сигнал, фильтруют и выравнивают его амплитуду относительно заданного уровня, формируют матрицу оконного преобразования Фурье, для каждого значения координаты на оси времени сформированной матрицы определяют значение координаты на оси частоты, при которой эта матрица каждый раз принимает максимальную величину, из элементов матрицы, соответствующих найденной координате частоты формируют вектор модулируемого сигнала для всех координат по оси времени и вычисляют его среднее значение, которое принимают в качестве пороговой величины, принятому информационному элементу присваивают значение «единица» или «нуль» по результатам сравнения между собой каждого значения вектора модулируемого сигнала и пороговой величины, а в качестве длительности демодулированного символа выбирают длительность наименьшего интервала, в пределах которого вектор модулируемого сигнала превысил пороговую величину. 4 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, МПК6 H04L 27/22, 1997 г.], заключающийся в том, что для ослабления влияния помех, находящихся вне полосы частот демодулируемого сигнала, предварительно осуществляют его фильтрацию. Так как в сигнале с ОФМ информационным параметром является изменение фазы несущей, то для повышения помехозащищенности после фильтрации сигналов с 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 X 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 X_п указанных корреляционных функций и принимают решение о переданном информационном символе на основе сформированной оценки фазы сигнала. Затем определяют знаки отсчетов Y_п и X_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, МПК⁶ H04L 27/22, 2006 г. 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_С(t). Затем фильтруют результат произведения сигналов S₀(t) и S_С(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 T формируют корреляционную функцию Y(t). Затем интегрируют корреляционную функцию Y(t) последовательно на длительности T и фиксируют ее значение Y_n по окончанию 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)-ом временных интервалах T. 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 использования свойств, обусловленных представлением сигналов в виде трехмерных матриц оконного преобразования Фурье (ОПФ).

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе демодуляции сигналов с ОФМ принимают сигнал S(t), фильтруют и выравнивают его амплитуду относительно заданного уровня, вычисляют параметры сигнала и сравнивают их с предварительно заданными пороговыми величинами, присваивают значение «единица» принятому информационному элементу, если расчетные параметры сигнала превысили заданную пороговую величину, в противном случае - «нуль». А для вычисления параметров из отфильтрованного сигнала с выровненной амплитудой формируют матрицу ОПФ M_m,n, где m - координата на оси частот, n - координата на оси времени, затем для каждого значения координаты на оси времени матрицы M_m,n определяют значение координаты на оси частоты f_max, при которой матрица M_m,n каждый раз принимает максимальную величину, после чего формируют вектор модулируемого сигнала для всех координат n по оси времени, затем из вектора вычисляют вектор его средних значений , который принимают в качестве пороговой величины, а принятому информационному элементу присваивают значение «единица» или «нуль» по результатам сравнения между собой каждого значения вектора модулируемого сигнала и величины вектора его средних значений , при этом на оси времени определяют числовые значения координат интервалов R_l, на длительности которых выполняется условие , где l - порядковый номер интервала, затем вычисляют длительности интервалов R_l как разность между значениями координат, определяющих их границы на оси времени, и наименьшую из полученных разностей R_min определяют в качестве длительности T демодулированного символа, после чего формируют функцию демодулированного сигнала Z(t), длительность посылок которой равна T, считая, что со сменой каждого интервала R_l происходит изменение информационного элемента с значения «единица» на «нуль» или наоборот, причем значение информационного элемента сохраняется в пределах следующего интервала R_l.

Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе обеспечивается возможность повышения помехозащищенности за счет использования свойств, обусловленных представлением сигналов в виде трехмерных матриц ОПФ.

Заявленное изобретение поясняется чертежами, на которых показано:

фиг.1 - временное представление сигнала с ОФМ;

фиг.2 - трехмерное представление сигнала с ОФМ на основе матрицы ОПФ с выделенной координатой f_max на оси частот, при которой матрица ОПФ принимает максимальное значение, и вектором средних значений ;

фиг.3 - двумерное представление сигнала с ОФМ на основе матрицы ОПФ с выделенной координатой f_max на оси частот, при которой матрица ОПФ принимает максимальное значение, и вектором средних значений ;

фиг.4 - двумерное представление сигнала с ОФМ на основе матрицы ОПФ с выделенной координатой f_max на оси частот, при которой матрица ОПФ принимает максимальное значение, вектором средних значений , интервалами R_l, на длительности которых выполняется условие , а также функцией демодулированного сигнала Z(t) на уровне напряжения U₀.

Реализация заявленного способа заключается в следующем.

Переход к представлению принятого сигнала S(t) на основе ОПФ обусловлен тем, что только в этом случае полученное представление наиболее полно характеризует исследуемые сигналы на длительности интервала их наблюдения [Теоретические основы частотно-временного анализа кратковременных сигналов: Монография / С.Н.Агиевич, С.В.Дворников, A.M.Кудрявцев и др. Под общей редакцией С.В.Дворникова и A.M.Кудрявцева. - СПб.: ВАС, 2010, с.65]. При реализации процедуры ОПФ происходит усреднение энергии в пределах окна анализа [Теоретические основы частотно-временного анализа кратковременных сигналов: Монография / С.Н.Агиевич, С.В.Дворников, A.M.Кудрявцев и др. Под общей редакцией С.В.Дворникова и A.M.Кудрявцева. - СПб.: ВАС, 2010, с.66-67], поэтому данное свойство представления сигнала на основе ОПФ целесообразно использовать для борьбы с аддитивными помехами, приводящими к изменению формы функции огибающей демодулированного сигнала. Поскольку именно форма функции огибающей демодулированного сигнала влияет на качество принятия решения о присвоении значения «единица» или «нуль» принятому информационному элементу, то в результате обеспечивается повышение свойства помехоустойчивости.

Последовательность действий предлагаемого способа демодуляции реализуется следующим образом.

Принимают сигнал с ОФМ S(t) по тракту приема. Процедуры приема сигналов известны и описаны, например, в [Дж.Возенкрафт, И.Джекобс. Теоретические основы техники связи. Пер. с англ. - М.: Мир, 1969, с.216-226].

Затем принятый сигнал S(t) фильтруют и выравнивают его амплитуду относительно заданного уровня. Операции фильтрации и выравнивания амплитуды сигналов 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]. Операцию выравнивания амплитуды относительно заданного уровня можно реализовать, например, на основе применения усилителя-ограничителя. Принятый сигнал S(t) с выровненной амплитудой представлен на фиг.1.

После этого формируют матрицу ОПФ M_m,n из отсчетов отфильтрованного сигнала с выровненной амплитудой. Аналитическое описание процедур ОПФ и принцип его реализации известны и описаны, например, в [Теоретические основы частотно-временного анализа кратковременных сигналов: Монография / С.Н.Агиевич, С.В.Дворников, A.M.Кудрявцев и др. Под общей редакцией С.В.Дворникова и A.M.Кудрявцева. - СПб.: ВАС, 2010, с.65-67] и [А.А.Алексеев, А.Б.Кириллов. Технический анализ сигналов и распознавание радиоизлучений. - СПб: ВАС, 1998, с.70-71]. Матрица ОПФ M_m,n принятого сигнала S(t) представлена на фиг.2.

Затем определяют значение координаты на оси частоты f_max, при которой матрица ОПФ M_m,n каждый раз принимает максимальную величину. Процедура поиска максимального значения последовательностей известна. Ее можно реализовать, например, на основе парного сравнения элементов последовательности или на основе последовательного измерения значения всех элементов. На фиг.2 показано максимальное значение координаты f_max на оси частоты матрицы M_m,n.

После чего формируют вектор модулируемого сигнала и для всех координат n по оси времени. Процедуры формирования векторов из матриц известны и, например, могут быть реализованы путем выбора значений матрицы, соответствующих значению, зафиксированному на одной из координатных осей. На фиг.2 и 3 в качестве вектора рассматриваются значения матрицы M_m,n, для фиксированного значения координаты на оси времени m=f_max.

Затем из значений вектора вычисляют вектор его средних значений , который принимают в качестве пороговой величины. Процедура формирования вектора средних значений известна. И может, например, быть реализована путем вычисления отношения суммы значений всех элементов вектора к общему числу элементов. На фиг.2 и 3 показан вектор средних значений .

После этого на оси времени определяют числовые значения координат интервалов R_l, на длительности которых выполняется условие . Процедуры сравнения векторов известны и могут быть, например, реализованы путем парного сравнения числовых значений элементов указанных векторов. На фиг 3 показаны интервалы R_l, на длительности которых выполняется условие .

Затем вычисляют длительности интервалов R_l как разность между значениями координат, определяющих их границы на оси времени, и наименьшую из полученных разностей R_min определяют в качестве длительности T демодулированного символа. Операции вычисления длительностей интервалов известны и могут быть реализованы, например, путем вычисления разности между наибольшим и наименьшим значением координат каждого из интервалов R_l. Наименьшая из полученных разностей может быть найдена по результатам сравнения вычисленных длительностей интервалов между собой.

После чего формируют функцию демодулированного сигнала Z(t), длительность посылок которой равна T, считая, что со сменой каждого интервала R_l происходит изменение значения информационного элемента «единица» на «нуль» или наоборот, причем значение информационного элемента сохраняется в пределах следующего интервала R_l. Процедуру формирования функции демодулированного сигнала Z(t) можно реализовать, например, путем установления заданного уровня напряжения U₀, на функции демодулированного сигнала, в пределах длительности информационных элементов «единица». На фиг.4 показана функция демодулированного сигнала Z(t), сформированная по уровню напряжения U₀.

Таким образом, в заявленном техническом решении достигается сформулированный технический результат - повышение помехозащищенности при демодуляции сигналов с ОФМ, за счет использования свойств, обусловленных представлением сигналов в виде трехмерных матриц ОПФ.

Способ демодуляции сигналов с относительной фазовой модуляцией, заключающийся в том, что принимают сигнал S(t), фильтруют и выравнивают его амплитуду относительно заданного уровня, вычисляют параметры сигнала и сравнивают их с предварительно заданными пороговыми величинами, присваивают значение «единица» принятому информационному элементу, если расчетные параметры сигнала превысили заданную пороговую величину, в противном случае - «нуль», отличающийся тем, что для вычисления параметров из отфильтрованного сигнала с выровненной амплитудой формируют матрицу оконного преобразования Фурье M_m,n, где m - координата на оси частот, n - координата на оси времени, затем для каждого значения координаты на оси времени матрицы M_m,n определяют значение координаты на оси частоты f_max, при которой матрица M_m,n каждый раз принимает максимальную величину, после чего формируют вектор модулируемого сигнала для всех координат n по оси времени, затем из вектора
вычисляют вектор его средних значений , который принимают в качестве пороговой величины, а принятому информационному элементу присваивают значение «единица» или «нуль» по результатам сравнения между собой каждого значения вектора модулируемого сигнала и величины вектора его средних значений , при этом на оси времени определяют числовые значения координат интервалов R_l, на длительности которых выполняется условие , где l - порядковый номер интервала, затем вычисляют длительности интервалов R_l, как разность между значениями координат, определяющих их границы на оси времени, и наименьшую из полученных разностей R_min определяют в качестве длительности Т демодулированного символа, после чего формируют функцию демодулированного сигнала Z(t), длительность посылок которой равна Т, считая, что со сменой каждого интервала R_l происходит изменение информационного элемента с значения «единица» на «нуль» или наоборот, причем значение информационного элемента сохраняется в пределах следующего интервала R_l.