Способ демодуляции сигнала
Владельцы патента RU 2626332:
Негосударственное (частное) образовательное учреждение высшего профессионального образования "Институт радиоэлектроники, сервиса и диагностики" (RU)
Изобретение относится к средствам передачи дискретной информации по каналам связи, а также использованию в статистических анализаторах случайных сигналов. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости систем передачи дискретной информации по каналам связи. В способе демодуляции сигнала используют аналого-цифровое преобразование, перемножение мгновенных дискретных значений сигнала с Vm - параметром характеристической функции сигнала, преобразование для получения функций синуса и косинуса произведений, накопление и усреднение текущих значений функций синуса и косинуса на интервале времени, равном длительности символа «0» и «1», сравнение с заданными порогами, вычисление оценки В(Vm, t) мнимой и оценки А(Vm, t) действительной части характеристической функции. 2 ил.
Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в системах передачи дискретной информации по каналам связи и в статистических анализаторах случайных сигналов.
Информацию передают с помощью сигналов, у которых модулированы параметры (амплитуда, фаза, частота) и характеристики (например, характеристическая функция) по закону телеграфного сообщения.
Характеристическая функция сигнала равна математическому ожиданию от экспоненты с мнимым показателем [Вешкурцев Ю.М. Прикладной анализ характеристической функции случайных процессов. -Москва: Радио и связь, 2003, с. 31, 49].
θ(Vm,t)=m1{exp{jVmu(t)]}=A(Vm,t)+jB(Vm,t),
где Vm - параметр характеристической функции (х.ф.); u(t)=E0s(t)+U0cos(ωt+η) - сигнал, модулированный телеграфным сообщением s(t); η - случайная величина; A(Vm,t) - действительная часть х.ф.; B(Vm,t) - мнимая часть х.ф.; Е0 - математическое ожидание сигнала. Телеграфное сообщение или сигнал s(t) представляет собой последовательность логических нулей (лог. «0») и логических единиц (лог. «1»).
Таким образом, рассматривается способ модуляции сигнала [Заявка №2016114366 от 13.04.2016. Способ модуляции сигнала], в котором помимо амплитуды сигнала изменяются действительная и мнимая части х.ф. по закону телеграфного сигнала. Пример этого показан на фиг.1.
При демодуляции нестационарного сигнала
u(t)=E0s(t)+U0 cos(ωt+η)
требуется измерение значений оценок действительной и мнимой частей х.ф.
Известно устройство для измерения плотности вероятности фазы сигнала [Патент 2313101, МПК G01R 25/00. Анализатор плотности вероятности фазы сигнала. Опубл. 20.12.2007. Бюл. №35]. Устройство реализует способ, использующий аналого-цифровое преобразование, перемножение, преобразование для получения функций синус и косинус, накопление и усреднение текущих значений, оперативное суммирование значений, запоминание и хранение мгновенных значений сигнала, формирование опорного колебания и управляющих импульсов, индикацию результатов.
Способ и устройство, реализующее его, позволяют измерять оценки действительной и мнимой частей х.ф. разности фаз сигнала и опорного колебания для определения оценки плотности вероятности фазы сигнала. В этом способе демодуляция сигнала выполнена с целью получения информации, содержащейся в фазе сигнала, а амплитуда при этом остается постоянной величиной.
Недостатками данного способа являются ограниченные функциональные возможности, т.к. он не позволяет демодулировать сигнал с амплитудной модуляцией и, к тому же, у него низкая помехоустойчивость.
Из известных наиболее близким по процедурам преобразования сигнала являются способ и устройство его реализации [Заявка №2011114694. Устройство контроля. Опубл. 20.10.2012]. Устройство контроля реализует способ, использующий аналого-цифровое преобразование, перемножение мгновенных дискретных значений сигнала с Vm-параметром характеристической функции (х.ф.) сигнала, преобразование для получения функций синус и косинус произведений, накопление и усреднение текущих значений функций синус и косинус, сравнение с порогами.
Способ и устройство, реализующее его, демодулируют сигнал с амплитудной модуляцией и позволяют измерять оценки действительной и мнимой частей х.ф. произведений мгновенных дискретных значений демодулированного сигнала на Vm-параметр х.ф. Затем в соответствии с алгоритмом с помощью значений оценок действительной и мнимой частей х.ф. вычисляется критерий, который сравнивается с порогом, а после этого принимается решение о качестве вещества.
Недостатками данного способа являются ограниченные функциональные возможности, т.к. он не позволяет демодулировать нестационарный сигнал с амплитудной модуляцией и, к тому же, имеет низкую помехоустойчивость.
Задача предлагаемого изобретения - повышение помехоустойчивости систем передачи дискретной информации по каналам связи.
Техническим результатом изобретения является использование характеристической функции сигнала при передаче телеграфных сообщений.
Для достижения поставленной задачи в способе демодуляции сигнала, использующем аналого-цифровое преобразование, перемножение мгновенных дискретных значений сигнала с Vm-параметром характеристической функции (х.ф.) сигнала, преобразование для получения функций синус и косинус произведений, накопление и усреднение текущих значений функций синус и косинус, сравнение с порогами, согласно изобретению текущие значения функций синус и косинус накапливают и усредняют на интервале времени, равном длительности символа лог. «0» и лог. «1», после чего с помощью функции синус вычисляют оценку B(Vm,t) мнимой части х.ф., а с помощью функции косинус - оценку A(Vm,t) действительной части х.ф., текущие значения которых сравнивают с порогами, а решения принимают в соответствии с выполнением следующих неравенств:
если В(Vm,t)≤0, то считают, что принят лог. «0»;
если В(Vm,t)>J0(VmU0)sin Е0, то считают, что принята лог. «1»;
если A(Vm,t) ≥J0(VmU0), то считают, что принят лог. «0»;
если А(Vm,t)>J0(VmU0) cosE0, то считают что принята лог. «1»,
где U0 - амплитуда сигнала; Е0- математическое ожидание сигнала; J0(VmU0) - функция Бесселя нулевого порядка, Vm=1.
На фиг. 1 представлены графики изменения телеграфного сигнала, действительной и мнимой частей х.ф., нестационарный сигнал, а на фиг. 2 изображена структурная схема технической реализации предлагаемого способа.
Структурная схема (фиг. 2) содержит аналого-цифровой преобразователь 1, перемножитель 2, синусный 3 и косинусный 4 преобразователи, накапливающие усредняющие сумматоры 5 и 6, пороговые устройства 7 и 8.
Вход АЦШ является входом демодулятора сигнала. Выход АЦП1 подключен к первому входу перемножителя 2, на второй вход которого поступает код числа, равного Vm-параметру х.ф. Выход перемножителя 2 одновременно подключен к входу синусного 3 и входу косинусного 4 преобразователей, выходы которых в отдельности подсоединены каждый к своему накапливающему усредняющему сумматору 5 и 6 соответственно. Стробирующие входы накапливающих усредняющих сумматоров 5 и 6 объединены и подключены к цепи «Синхронизация». Выходы накапливающих усредняющих сумматоров 5 и 6 в отдельности присоединены каждый к своему пороговому устройству 7 и 8 соответственно. Выход порогового устройства 7 является выходом синусного канала демодулятора, а выход порогового устройства 8 - выходом косинусного канала демодулятора.
Заявленный способ демодуляции реализуется следующим образом. На вход демодулятора поступает нестационарный сигнал. Пусть s(t)=0, т.е. в данный момент времени передается логический «0». После аналого-цифрового преобразования в АЦП1 мгновенные значения сигнала u(kΔt) перемножают с параметром Vm, а затем выполняют преобразования для получения функции sin[u(kΔt)Vm] и функции cos[u(kΔt)Vm] произведений u(kΔt)Vm с помощью преобразователей 3, 4 соответственно. Накапливающие усредняющие сумматоры 5, 6 работают одновременно. В сумматоре 5 накапливаются текущие значения функции синус, а в сумматоре 6 - текущие значения функции косинус. По истечении времени, равном длительности символа логический «0», имеем
в сумматоре 5 и
в сумматоре 6, где N - объем выборки дискретный мгновенных значений сигнала.
При появлении импульса синхронизации на стробирующих входах сумматоров 5, 6 на их выходах появляются значения оценок мнимой и действительной частей х.ф., т.е.
,
Значения оценок х.ф. сравниваются с порогами, установленными в пороговых устройствах 7, 8, исходя из следующих фундаментальных положений.
Известно [Вешкурцев Ю.М. Прикладной анализ характеристической функции случайных процессов. - Москва: Радио и связь, 2003, с. 34, табл. 2.1], что х.ф. нестационарного сигнала при s(t)=0 равна
B(Vm,t)=0,
A(Vm,t)=J0(VmU0),
где U0 - амплитуда сигнала, J0(×) - функция Бесселя нулевого порядка.
Следовательно, при s(t)=0 в пороговом устройстве 7 установлен порог
П1=B(Vm,t)=0,
а в пороговом устройстве 8 - порог
П3=A(Vm,t)=J0(VmU0).
Решение относительно принятого символа телеграфного сигнала принимают в соответствии с выполнением следующих неравенств:
если B[Vm,t)≤П1≤0, то считают, что принят логический «0»;
если А(Vm,t)≥П3≥J0(VmU0), то считают, что принят логический «0».
При невыполнении записанных неравенств при Vm=1 возникает ошибка в решении относительно принятого символа телеграфного сигнала.
Далее рассмотрим случай, когда s(t)=1, т.е. в следующий момент времени передается символ логическая «1». Преобразования нестационарного сигнала повторяют описанные ранее. Новые значения оценок х.ф. сравниваются с другими порогами, установленными в пороговых устройствах 7, 8, исходя из следующих фундаментальных положений.
Известно [Вешкурцев Ю.М. Прикладной анализ характеристической функции случайных процессов. - Москва: Радио и связь, 2003, с. 38], что х.ф. нестационарного сигнала при s(t)=1 равна
B(Vm,t)=J0(VmU0)sinE0,
A(Vm,t)=J0(VmU0)cosE0,
где Е0 - математическое ожидание сигнала.
Следовательно, при s(t)=1 в пороговом устройстве 7 установлен порог
П2=B(Vm,t)=J0(VmU0)smE0,
а в пороговом устройстве 8 - порог
П4=A(Vm,t)=J0(VmU0)cosE0.
Решение относительно принятого символа телеграфного сигнала принимают в соответствии с выполнением следующих неравенств:
если В[Vm,t)>П2>J0[VmU0)sinE0, то считают, что принята логическая «1»;
если А(Vm,t)>П4>J0(VmU0)cosE0, то считают, что принята логическая «1».
При невыполнении записанных неравенств при Vm=1 возникает ошибка в решении относительно принятого символа телеграфного сигнала.
Описанные операции, связанные с преобразованием нестационарного сигнала, выполняются известными в радиотехнике устройствами, а именно аналого-цифровым преобразователем (АЦП), перемножителем, функциональными преобразователями синус и косинус, накапливающими усредняющими сумматорами, пороговыми устройствами.
Для оценки помехоустойчивости демодулятора проведено статистическое моделирование структурной схемы (фиг. 2). Статистическое моделирование проводилось в следующей последовательности.
На первом этапе сформированы дискретные мгновенные значения нестационарного сигнала, передающего логическую «1», а потом - сигнала, передающего логический «0». Амплитуда сигнала, математическое ожидание сигнала - это величины переменные. Для конкретных значений амплитуды и математического ожидания сигнала установлены пороги (9, 10, 13, 14) в статистической модели демодулятора. После чего контролировались ошибки демодулятора, когда помехи на входе демодулятора отсутствуют. Количество ошибок в синусном и косинусном каналах демодулятора равно нулю при проведении 100 000 испытаний.
На втором этапе сформированы дискретные мгновенные значения аддитивной смеси сигнала и «белого» шума. При этом амплитуда нестационарного сигнала изменялась через 0,1 В от 0,1 В до 0,9 В, а среднее квадратическое отклонение «белого» шума изменялось от 0,9 В до 0,1 В с шагом 0,1 В. Математическое ожидание сигнала принимало два значения, а именно 0,1 В и 0,4 В. Отношение сигнал/шум рассчитывалось по формуле
где u(kΔt) - дискретное мгновенное значение сигнала; σ2 - дисперсия «белого» шума; N - объем выборки мгновенных значений сигнала. При этом несущая частота сигнала 100 кГц, частота дискретизации аддитивной смеси сигнала и шума равна 200 кГц. Объем выборки дискретных мгновенных значений аддитивной смеси сигнала и шума на интервале одного символа телеграфного сигнала равен 200.
Проведено 100 000 независимых испытаний. Вероятность ошибок в синусном и косинусном каналах демодулятора рассчитывалась по формуле
где N1=100 000 - количество испытаний; m - количество ошибок при приеме логического «0»; n - количество ошибок при приеме логической «1».
Результаты статистических испытаний синусного канала демодулятора.
Результаты статистических испытаний косинусного канала демодулятора.
Для сравнения приведена вероятность ошибок при демодуляции сигналов с относительной фазовой модуляцией [Теплов Н.Л. Помехоустойчивость систем передачи дискретной информации. - Москва: Связь, 1964, с. 117].
Результаты моделирования показывают, что демодулятор (фиг.2) имеет помехоустойчивость, превышающую помехоустойчивость известных демодуляторов сигналов с относительной фазовой модуляцией, которая считается в данный момент самой помехоустойчивой.
Таким образом, использование предлагаемого способа повышает помехоустойчивость систем передачи дискретной информации.
Способ демодуляции сигнала, использующий аналого-цифровое преобразование нестационарного сигнала с s(t), принимающего значения «0» или «1», с получением мгновенных значений сигнала u(kΔt), которые перемножают с параметром Vm характеристической функции, выполняют преобразование для получения функции sin[u(kΔt)Vm] и функции cos[u(kΔt)Vm] произведений u(kΔt)Vm с накоплением и усреднением текущих значений соответственно на интервале времени, равном длительности символов «0» или «1», после чего с помощью функции синуса вычисляют оценку B(Vm,t) мнимой части характеристической функции, а с помощью функции косинуса - оценку A(Vm,t) действительной части характеристической функции соответственно
где N - объем выборки дискретных мгновенных значений сигнала, текущие значения которых сравнивают с порогами, а решения принимают в соответствии с выполнением следующих неравенств:
если B(Vm,t)≤0, то считают, что принят лог.«0»;
если B(Vm,t)>J0(VmU0)sinE0, то считают, что принята лог. «1»;
если A(Vm,t)≥J0(VmU0), то считают, что принят лог. «0»;
если A(Vm,t)>J0(VmU0)cosE0, то считают что принята лог. «1»,
где U0 - амплитуда сигнала; Е0 - математическое ожидание сигнала; J0(VmU0) - функция Бесселя нулевого порядка, Vm=1.
