Способ формирования и обнаружения синхроимпульса шумоподобного сигнала, не зависящий от корреляционных свойств модулирующих фазу сигнала последовательностей
Владельцы патента RU 2760567:
Закрытое акционерное общество Научно-технический центр «Модуль» (RU)
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в обнаружителях фазоманипулированных шумоподобных сигналов. Технический результат – уменьшение ложных обнаружений. В способе формирования и обнаружения синхроимпульса шумоподобного сигнала на передающей стороне последовательность (ДПси), с помощью которой модулируется фаза несущей частоты синхроимпульса, формируют побитным умножением одной из функций Уолша (ФУк), с одной из последовательностей полного кода (ДПн_си). На приемной стороне вычисляют последовательность ДПх побитным умножением последовательностей ДПси и ДПн_си и корреляционные функции этой последовательности со всеми функциями Уолша. Решение об обнаружении синхроимпульса принимают только в том случае, если максимум корреляционной функции (КФ) достигается с ФУк и при этом сумма модулей вычисленных КФ, кроме КФ последовательности ДПх с ФУк, меньше Δ, которая определяется точностью представления 0. 1 ил., 2 табл.
Изобретение относится к области связи и может найти применение в системах, в которых необходимо использовать шумоподобные фазоманипулированные сигналы.
В таких системах передача информации осуществляется с помощью служебных и информационных элементов. По служебному элементу шумоподобного сигнала (синхроимпульсу) осуществляется его обнаружение. С помощью информационных элементов осуществляется передача необходимой информации. Модуляция фазы несущей частоты служебных и информационных элементов производится двоичными последовательностями.
Обнаружение синхроимпульса фазоманипулированного сигнала осуществляется с помощью классического Обнаружителя, который состоит из Согласованного фильтра, Адаптивного определителя порога и Решающего устройства.
В основе работы такого Обнаружителя лежит вычисление корреляционной функции (КФ) наблюдаемого в данный момент сигнала с последовательностью, которой была модулирована фаза синхроимпульса. Адаптивный определитель порога вычисляет уровень наблюдаемого в данный момент сигнала. При превышении значения КФ величины адаптивного порога, Решающее устройство фиксирует обнаружение сигнала.
Недостатком такого Обнаружителя являются «ложные обнаружения», связанные с:
- плохими корреляционными свойствами используемых двоичных последовательностей (АКФ модулирующей последовательности синхроимпульса и ВКФ этой последовательности с модулирующими последовательностями информационных элементов);
- увеличением боковых пиков модулирующих последовательностей засчёт внешних помех;
- способом вычисления адаптивного порога;
- наличием на входе приёмного устройства внутренних шумов.
Минимизировать количество «ложных обнаружений» в таком Обнаружителе можно только в случае подбора таких последовательностей, у которых АКФ и ВКФ имеют малые значения боковых пиков. Подобрать опорные последовательности для модуляции синхроимпульса, имеющие боковые пики АКФ меньше заданного значения, ещё можно. А вот подобрать для выбранной опорной последовательности синхроимпульса набор последовательностей для модуляции информационных элементов сигнала, у которых максимум пика ВКФ равен заданному значению, представляет очень трудную, практически невыполнимую вычислительную задачу (при базе элемента сигнала n=256 необходимо вычислить 2256 ≈ 1077 ВКФ и выбрать из них такие, у которых максимум пика не превышает заданного значения). Кроме того, подбор двоичных последовательностей, имеющих хорошие корреляционные свойства, существенно сокращает их количество.
Выбор того или иного способа вычисления адаптивного порога зависит от характера внешних помех, а потому непредсказуем. Для одного и того же синхроимпульса из-за случайности характеристик помех адаптивный порог может быть заниженным, что может привести к «ложному обнаружению», или завышенным, что может привести к пропуску сигнала.
Уменьшение интенсивности внутренних шумов приёмного устройства приводит к ухудшению чувствительности системы связи.
По «ложному обнаружению» запускается обработка «ложных информационных элементов». В лучшем случае «ложность обнаружения» удаётся определить на этапе обработки первого «ложного информационного элемента». В худшем случае «ложность обнаружения» может быть определена при обработке последнего «ложного информационного элемента». Это снижает пропускную способность системы связи.
В патенте RU 2505934 C1 (H04L27/233, 27.01.2014) борьбу с «ложными обнаружениями» предлагается осуществлять путём динамического изменения величины порога в соответствии с определёнными параметрами сигнала на выходе согласованного фильтра. Для этого производят вычисление среднего Ср и измерение пикового Уп значения сигнала на выходе согласованного фильтра, после чего вычисляют значение заданного порога по формуле: П=v*(Уп-Ср)+Ср, где v - константа, пропорциональная относительной величине боковых пиков АКФ опорной последовательности.
Недостатком такого способа борьбы с «ложными обнаружениями» является то, что его реализация требует вычисления Ср и Уп, а затем величины П, что требует определённых аппаратных средств и времени. Кроме того, для каждой ДП необходима своя величина v, которая должна быть подобрана, исходя из величины боковых пиков АКФ.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ борьбы с «ложными обнаружениями», приведенный в патенте RU 2608769 C1. В этом патенте фазу синхроимпульса предлагается модулировать последовательностью:
где ФУk - функция Уолша, выполняющая роль признака «обнаружение по основному пику», ДПн_си - последовательность, которой «зашумляется» ФУk, а символ «*» означает побитное умножение, такое что:
1*1= 1, -1*-1= 1, -1*1= -1, 1*-1= -1.
Предлагаемый в этом патенте способ обнаружения представляет собой классический Обнаружитель синхроимпульсов, дополненный блоком вычисления признака «обнаружение по основному пику». Признак «обнаружение» будет выработан только в случае одновременного наступления двух событий: значение КФ превысило адаптивный порог (сигнал «превышение») и выработан признак «обнаружение по основному пику».
Такой Обнаружитель исключает «ложные обнаружения», связанные с плохими корреляционными свойствами используемых двоичных последовательностей, а также с «ложными обнаружениями», связанными с наличием Адаптивного порогового устройства (заниженный порог).
Недостатком такого Обнаружителя, как и рассмотренных выше, является пропуск синхроимпульса. Это связано с наличием в рассмотренных Обнаружителях Адаптивного порогового устройства (случай завышения порога).
В заявленном способе обнаружения элемент синхроимпульса предлагается формировать так же, как и в патенте RU 2608769 C1, а обнаружение синхроимпульса осуществлять с помощью Обнаружителя, работа которого аналогична работе Декодера, обрабатывающего информационные элементы сигнала. Разница только в том, что на вход Декодера, обрабатывающего информационные элементы сигнала, всегда поступает одна из функций Уолша, а на вход Декодера, выполняющего роль Обнаружителя может поступить как функция Уолша, так и любая из последовательностей полного кода, не являющаяся функцией Уолша.
Функциональная схема заявленного Обнаружителя представлена на фиг. 1.
Приёмник осуществляет приём и оцифровку входной информации, которая поступает на вход Обнаружителя. Обнаружитель работает потактно. В каждом такте он обрабатывает n замеров сигнала, представленных 
.
Обнаружитель вычисляет ДПх=
*ДПн_си (Декодер обработки информационных элементов вычисляет ФУу= *ДПн_иэ).
Блок обработки ДПх вычисляет КФ последовательности ДПх со всеми последовательностями ФУj. (Блок обработки Декодера информационных элементов вычисляет КФ последовательности ДПу со всеми последовательностями ФУj). Определяет максимальное значение КФ(ДПх,ФУj) (Блок обработки Декодера информационных элементов вычисляет максимум КФ (ДПу,ФУj)).
Если максимум КФ достигается не с ФУk, то Обнаружитель переходит к обработке следующей порции .
Если максимальное значение КФ последовательности ДПх с функциями Уолша достигается с ФУk и при этом сумма:
то Обнаружитель формирует признак «обнаружение». Если (2) не выполняется, то Обнаружитель переходит к обработке следующей порции .
Для обоснования такого критерия выработки признака «обнаружение» рассмотрим некоторые свойства двоичных последовательностей, из которых этот критерий вытекает.
Свойство 1.
Известно, что ФУ ортогональны.
Это означает, что КФ любой последовательности полного кода с функциями Уолша достигает максимального значения только в единственном случае, когда этой последовательностью является ФУk. Максимальное значение КФ в этом случае будет равно n, а значения КФ этой последовательности полного кода с ФУ0, ФУ1, …, ФУk-1, ФУk+1,…, ФУn будут равны 0.
КФ любой последовательностей полного кода, не являющейся функцией Уолша, с функциями Уолша будут иметь значения меньшие n (они не ортогональны ФУ).
Например, для базы n=8 в таблице 1 приведены значения КФ последовательностей ДП185, ДП193, ДП196, ДП195, ДП85, ДП96, ДП105, с функциями Уолша. В качестве ФУk взята ФУ6.
| Таблица 1 | |||||||||
| ДПх | Значения КФ последовательности ДПх с ФУ | ΣКФ | |||||||
| ФУ0 | ФУ1 | ФУ2 | ФУ3 | ФУ4 | ФУ5 | ФУ6 | ФУ7 | ||
| ДП185 | 2 | 2 | -2 | 6 | 2 | 2 | -2 | -2 | 8 |
| ДП193 | -2 | -2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 6 | -2 | 8 |
| ДП196 | -2 | -2 | 6 | -2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 8 |
| ДП195 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 8 | 0 | 8 |
| ДП85 | 0 | -8 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | -8 |
| ДП96 | -4 | 0 | 0 | -4 | 4 | 0 | 0 | -4 | -8 |
| ДП105 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | -8 | -8 |
Из таблицы 1 видно, что максимальное значение КФ достигается при ДП195 (это и есть ФУ6!) и равно 8, а значения КФ последовательности ДП195 с ФУ0, ФУ1,…, ФУ5, ФУ7 равны 0. Все остальные КФ последовательностей с функциями Уолша меньше 8.
Свойство 2.
Сумма КФ любой последовательности полного кода с функциями Уолша равна либо «-n», либо «n».
Из таблицы 1 видно, что ΣКФ(ДП185,ФУj)=ΣКФ(ДП193,ФУj)= =ΣКФ(ДП196,ФУj)=ΣКФ(ДП195,ФУj)=8, а ΣКФ(ДП85,ФУj)= =ΣКФ(ДП96,ФУj)= ΣКФ(ДП105,ФУj)= - 8.
С учётом описанных выше свойств поясним работу Обнаружителя с сигналами, база которых равна n=8. Для таких сигналов Таблица 1 могла бы иметь, например, представленный в таблице 2 вид.
| Таблица 2 | |||||||||
| ДПх | Значения КФ последовательности ДПх с ФУ | ΣКФ | |||||||
| ФУ0 | ФУ1 | ФУ2 | ФУ3 | ФУ4 | ФУ5 | ФУ6 | ФУ7 | ||
| ДП185 | 22.3 | 22.1 | -22.2 | 65.9 | 21.9 | 22.1 | -21.9 | -22.0 | 88.2 |
| ДП193 | -22.1 | -21.9 | 22.1 | 22.2 | 21.9 | 21.9 | 66.1 | -22.2 | 88 |
| ДП196 | -21.9 | -22.1 | 66.2 | -22.2 | 21.1 | 22.2 | 22.1 | 21.9 | 88.3 |
| ДП195 | 3*10-5 | 2*10-5 | 4*10-5 | 1*10-5 | 5*10-5 | 1*10-5 | 87.9 | 2*10-5 | 87.900 |
| ДП85 | 1*10-5 | -88.2 | 5*10-5 | 3*10-5 | 2*10-5 | 5*10-5 | 1*10-4 | 4*10-5 | -88.199 |
| ДП96 | -43.9 | 3*10-5 | 4*10-5 | -44.2 | 44.1 | 2*10-5 | 8*10-5 | -43.9 | -87.899 |
| ДП105 | 8*10-5 | 6*10-5 | 2*10-5 | 5*10-5 | 7*10-5 | 9*10-5 | 98*10-5 | -87.8 | -87.799 |
Примечание.
Для реальных сигналов значений КФ=0 не будет. Это связано с точностью оцифровки, внутренними помехами и уровнем сигнала. Например, «ноль» может быть представлен значением 0,00001 (или ещё много меньше). Тогда, в случае ДПх = ФУk, все КФ(ДПх,ФУj), кроме КФ(ДПх,ФУk), будут равны не 0, а будут иметь значения порядка 0.000001. В худшем случае, если все эти КФ равны 0.00001, то их сумма будет равна Δ=0,00001*(n-1). Для n=8, 16, …, 256 значение Δ будет равно соответственно 0.00007, 0.00015, …, 0.00255.
Из таблицы 2 видно, что появление на входе Блока обработки ДПх сигналов, фаза которых модулирована последовательностями ДП185, ДП196, и ДП96 максимальные значения КФ достигаются не с ФУ6. В этих случаях Обнаружитель будет переходить к обработке следующей порции .
При сигналах, фаза которых модулирована последовательностями ДП193, ДП195, ДП85 и ДП105 максимальное значение КФ достигается с ФУ6. В этих случаях Обнаружитель вычисляет сумму всех модулей полученных значений КФ(ДПх,ФУj), кроме КФ(ДПх,ФУk).
Для ДПх=ДП193 значения 
=22.1, 
=21.9, 
=22.1, 
=22.2, 
=21.9, 
=21.9, 
=22.2. Сумма этих значений будет равна 154.3, что больше 0.00007, следовательно, условие выработки признака «обнаружение» не выполняется.
По такой же причине не будет выработан признак «обнаружения» при появлении на входе Блока обработки ДПх последовательностей ДП85 и ДП105.
Для ДПх=ДП195 значения 
=0.000003, 
=0.000002, 
=0.000004, 
=0.000001, 
=0.000005, 
=0.000001, 
=0.000002. Сумма этих значений равна 0.000018, что меньше 0.00007, следовательно, будет выработан признак «обнаружение».
При возникновении на входе Обнаружителя информационных элементов признака «обнаружение» не возникнет, если среди модулирующих последовательностей информационных элементов не будет последовательности ДПси.
Аналогичным образом заявленный Обнаружитель будет работать при базах сигнала 216, 232, …, 2256, ….
Заявленный способ формирования и обнаружения синхроимпульса фазоманипулированного сигнала позволяет:
- существенно улучшить пропускную способность системы связи засчёт отсутствия «ложных обнаружений», порождаемых плохими корреляционными свойствами модулирующих последовательностей;
- улучшить работу системы связи при воздействии на нее различного рода помех (отсутствие влияния внешних помех на вычисление порога, а, следовательно, не будет пропусков синхроимпульса);
- позволяет использовать для модулирования элементов сигнала все последовательности полного кода;
- существенно упростить аппаратные средства (аппаратные средства Обнаружителя аналогичны аппаратным средствам Декодера информационных элементов).
Способ формирования и обнаружения синхроимпульса шумоподобного сигнала, при котором на передающей стороне формирование последовательности (ДПси), с помощью которой модулируется фаза несущей частоты синхроимпульса, осуществляется побитным умножением одной из функций Уолша (ФУк), с одной из последовательностей полного кода (ДПн_си), а на приемной стороне побитным умножением последовательностей ДПси и ДПн_си вычисляются последовательность ДПх и корреляционные функции этой последовательности со всеми функциями Уолша и решение об обнаружении синхроимпульса принимается только в том случае, если максимум корреляционной функции (КФ) достигается с ФУк и при этом сумма модулей вычисленных КФ, кроме КФ последовательности ДПх с ФУк, меньше Δ, которая определяется точностью представления 0.
