[1]Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в средствах связи.
[2]Известны амплитудная и угловая модуляции, описанные в учебном пособии «Основы теории радиотехнических систем. Учебное пособие. // В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, Н.П. Мухин. Под ред. В.И. Борисова. Воронежский научно-исследовательский институт связи, 2004.», стр. 165-168, 170-174, соответственно, недостатком которых является невысокая эффективность в условиях воздействия помех.
[3]Известны способы цифровой обработки сигналов - с амплитудно-импульсной модуляцией (ASK), квадратурной амплитудной модуляцией (QAM), модуляцией фазовым сдвигом (PSK), описанные в книге «Прокис Джон, «Цифровая связь». Пер. с англ. / Под ред. Д.Д. Кловского. - М.: Радио и связь. 2000, стр.: 148, 149; 150, 151; 151, 152, соответственно, недостатком которых является низкая эффективность в условиях воздействия помех.
[4]Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является способ, который заключается в использовании модуляции с ортогональным частотным сдвигом (FSK) (мультиплексирование (уплотнение) с ортогональным частотным делением каналов (ОФДМ)) и выделения сигнала с использованием оптимального максимума правдоподобия детектора описанный в книге «Прокис Джон, «Цифровая связь». Пер. с англ. / Под ред. Д.Д. Кловского. - М.: Радио и связь. 2000, стр. 141, 208, 219-221, 593-596, принятый за прототип.
[5]Способ-прототип заключается в следующем.
[6]При использовании способа модуляции с частотным сдвигом формируют М ортогональных сигналов равной энергии. Данные сигналы различаются по частоте
[7]
[9]
[11]Т - период изменения сигнала, соответствующий минимальному значению частоты спектра сигнала;
[12]fc - частота сигнала;
[13]Δf - частотный сдвиг между сигналами.
[14]Эквивалентный низкочастотный сигнал определяют в виде
[15]
[16]Эти формы сигналов характеризуются равной энергией и коэффициентом взаимной корреляцией, вещественная часть которого равна
[17]
[18]Re(ρkm)=0, когда Δf=1/(2T) и m≠k.
[19]Поскольку случай ⎢m-k⎢=1 соответствует соседним частотным интервалам, то Δf=1/(2T) представляет минимальную величину частотного разноса между смежными сигналами для ортогональности М сигналов.
[20]На вход приемника поступает аддитивная смесь сигнала и помехи
[21]
[22]где: Us - сигнал, сформированный с использованием модуляции с частотным сдвигом;
[24]После умножения на соответствующие опорные сигналы Sоп.i в блоках умножения и интегрирования интеграторами на выходах интеграторов образуется результат преобразования сигнала и помехи, т.е. умножения на опорный сигнал и интегрирования (корреляционные метрики):
[25]
[26]где Kis, Kip - коэффициенты преобразования сигнала и помехи соответственно, зависящие от вида используемой системы ортогональных функций.
[27]В устройстве выбора по максимуму выбирается сигнал, соответствующий наибольшей корреляционной метрике.
[28]Недостатком способа-прототипа является недостаточно высокая эффективность в условиях воздействия помех, которая объясняется широким спектром сигнала, а так же большая вычислительная сложность, связанная с необходимостью вычисления корреляционных метрик.
[29]Задача предлагаемого способа - повышение эффективности выделения сигнала в условиях воздействия помех и снижение вычислительной сложности с целью повышения скорости обмена информацией.
[30]Для устранения указанного недостатка в способе обмена информацией с использованием модуляции частотным сдвигом и когерентным накоплением сигнала, заключающемся в том, что формируют сигнал, состоящий из нескольких гармонических сигналов, с использованием модуляции с частотным сдвигом (FSK), на этапе вхождения в связь осуществляют синхронизацию средств связи, согласно изобретению, устанавливают заранее значения частотных сдвигов между соседними сигналами; поступающую на вход приемника аддитивную смесь сигнала и помехи преобразуют в цифровой вид в соответствующих аналого-цифровых преобразователях (АЦП); формируют в цифровом виде n групп отсчетов, при этом в первую группу включают отсчеты, которые берут с частотой, значение которой равно удвоенному значению частоты первой гармонической составляющей сигнала, во вторую группу включают отсчеты, которые берут с частотой, значение которой равно удвоенному значению частоты второй гармонической составляющей сигнала, в n-ую группу включают отсчеты, которые берут с частотой, значение которой равно удвоенному значению частоты n-ой гармонической составляющей сигнала; находят значения сумм отсчетов для каждой группы отсчетов, полученные значения сумм сравнивают с порогом, по результатам сравнения делают вывод о наличии или об отсутствии сигнала с соответствующей частотой.
[31]Предлагаемый способ заключается в следующем.
[32]Сигналы формируют как сумму n гармонических сигналов (поднесущих) с различными частотами с использованием модуляции частотным сдвигом. Значения соседних частот отличаются на некоторую величину Δfij.
[33]Здесь i, j - номера соседних частот, j=i+1.
[34]В общем случае значения частотных сдвигов могут быть любыми.
[35]Значения частотных сдвигов определяют на этапе разработки экспериментальным путем или методом математического моделирования, как значения, обеспечивающие максимальную степень помехоустойчивости при заданном уровне скорости обмена данными.
[36]На этапе вхождения в связь осуществляют синхронизацию сигнала, любым известным методом, например, путем обработки используемой кодовой последовательности.
[37]Число гармонических составляющих n, используемых при формировании сигнала, определяют исходя из заданной скорости обмена и уровня помехоустойчивости линии связи.
[38]Формируют в цифровом виде n групп отсчетов поступающей на вход приемника аддитивной смеси сигнала и помехи.
[39]Преобразование в цифровой вид осуществляют в соответствующих аналого-цифровых преобразователях (АЦП).
[40]Группы отсчетов берут следующим образом. Первая группа - в группу включают отсчеты, которые берут с частотой, значение которой равно удвоенному значению частоты первой гармонической составляющей сигнала. Вторая группа - в группу включают отсчеты, которые берут с частотой, значение которой равно удвоенному значению частоты второй гармонической составляющей сигнала, и т.д., n-ая группа - в группу включают отсчеты, которые берут с частотой, значение которой равно удвоенному значению частоты n-ой гармонической составляющей сигнала.
[41]Число отсчетов, образующих группы, определяют на этапе разработки экспериментальным путем или методом математического моделирования, как число, обеспечивающее максимальный уровень помехоустойчивости при заданной скорости обмена информацией.
[42]Отсчеты берут так, что отсчеты с номерами k (k=1, 2, …, No/2, No - число используемых отсчетов) берут в момент, когда сигнал принимает положительное максимальное значение. Отсчеты с номерами 2k берут в момент, когда сигнал принимает отрицательное максимальное значение.
[43]Рассчитывают суммы отсчетов для каждой группы отсчетов. При суммировании отсчеты с отрицательным значением берут с положительным знаком. Полученные значения сумм сравнивают с порогом. По результатам сравнения делают вывод о наличии или об отсутствии сигнала с соответствующей частотой.
[44]Значение порога определяют как значение, обеспечивающее заданный уровень ложной тревоги, т.е. принятия решения о наличии сигнала при его отсутствии (см., например, учебное пособие «Основы теории радиотехнических систем». Учебное пособие. // В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, Н.П. Мухин. Под ред. В.И. Борисова. Воронежский научно-исследовательский институт связи, 2004., стр. 57-58).
[45]Сигналы на выходах пороговых устройств представляют собой параллельный код принятой информации.
[46]В таблице 1 приведены результаты моделирования процесса суммирования отсчетов, входящих в различные группы отсчетов.
[47]Моделирование осуществлялось для следующих исходных данных:
[48]- число гармонических составляющих сигнала - 12;
[49]- число отсчетов - 10;
[50]- значения частот гармоник (в условных единицах): 2,0; 2,1; 2,2; 2,3; 2,4; 2,5; 2,6; 2,7; 2,8; 2,9; 3,0; 3,1;
[51]- амплитуда любого гармонического сигнала равна 1.
[52]
[53]На основе анализа данных, приведенных в таблице 1, могут быть сделаны следующие выводы:
[54]- при наличии кратных частот результат когерентного накопления одинаков (частота №1 и №11, строка 1 - взятие отсчетов с частотой №1), то есть кратные частоты не могут использоваться в качестве рабочих частот;
[55]- значение суммарного сигнала, когда отсчеты берутся с частотой, соответствующей сигналу, превышает уровни суммарных сигналов, когда отсчеты берутся с частотой не соответствующей сигналу («боковые лепестки»), более чем в 20 раз для положительных значений уровней «боковых лепестков».
[56]Проведено моделирование процесса обнаружения многочастотного сигнала с модуляцией частотным сдвигом и когерентным накоплением.
[57]Помеха при моделировании представлена в виде аддитивного белого гауссовского шума (АБГШ), т.е. совокупности гармонических колебаний со случайными значениями амплитуд (Upi) и фаз (ϕpi), которые распределены по нормальному (амплитуды) и равномерному (фазы) законам (см., например, учебное пособие «Основы теории радиотехнических систем». Учебное пособие. // В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, Н.П. Мухин. Под ред. В.И. Борисова. Воронежский научно-исследовательский институт связи, 2004., стр. 51)
[58]
[59]где: ωpi, ϕpi, Upi - частота, фаза и амплитуда i-ой составляющей помехи, соответственно;
[60]Nsp - число гармонических составляющих помехи, используемых для ее представления.
[61]Частоты составляющих помехи моделировались как случайные величины, значения которых распределены по равномерному закону, в полосе сигнала.
[62]Отсчеты шума являются независимыми случайными величинами.
[63]Результаты оценки эффективности предлагаемого способа получены методом математического моделирования на ЭВМ с использованием системы MATLAB.
[64]При моделировании использовались следующие исходные данные:
[65]- число реализаций - 1000;
[66]- число гармонических сигналов - 8;
[67]- значения частот гармоник (в условных единицах): 2,0; 2,1; 2,2; 2,3; 2,4; 2,5; 2,6; 2,7;
[68]- амплитуда гармонических сигналов - 1;
[69]- число составляющих помех - 1000;
[70]- число отсчетов - 10.
[71]Результаты моделирования процесса принятия решения о наличии сигнала для предлагаемого способа - для отношения мощностей помехи к мощности сигнала 5,8 и вероятности ложной тревоги 10-3 вероятность принятия правильного решения о наличии сигнала составляет 0,999.
[72]По результатам моделирования способа-прототипа для вероятности ложной тревоги равной 10-3, вероятности принятия правильного решения о наличии сигнала равной 0,999, отношение мощностей помехи и сигнала равно 3,1.
[73]Таким образом, эффективность предлагаемого способа по показателю отношение мощностей помехи и сигнала превышает эффективность способа-прототипа практически в 2 раза. При этом отношение ширины полосы сигнала для рассматриваемого способа (0,7) к полосе сигнала, используемого для способа-прототипа (7) составляет 0,1.
[74]Значения частот гармоник (в условных единицах) для способа-прототипа: 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9.
[75]То есть чувствительность приемника средства связи, в котором реализован предлагаемый способ, в 10 раз ниже чувствительности приемника средства связи, в котором реализован способ-прототип.
[76]Кроме того, вычислительная сложность предлагаемого способа в десятки раз ниже вычислительной сложности способа-прототипа. Так, например, при использовании восьми частот и десяти отсчетов (накопление сигнала в течение пяти периодов), для предлагаемого способа необходимо использовать 80 операций сложения, т.е. около 160 элементарных операций.
[77]Для способа-прототипа при таком же накоплении сигнала (пять периодов) необходимо использовать не менее десяти отсчетов на период - суммарно 50 отсчетов, и для получения корреляционных метрик необходимо использовать порядка 400 операций умножения и 400 операций сложения, т.е. около 3200 элементарных операций.
[78]Таким образом, вычислительная сложность предлагаемого способа ниже вычислительной сложности способа-прототипа практически в 20 раз. Это позволит примерно во столько же раз повысить скорость обмена данными при использовании предлагаемого способа.
[79]Скорость обмена информацией при использовании предлагаемого способа ограничивается двумя факторами:
[80]- скорость работы АЦП;
[81]- тактовая частота используемого процессора.
[82]Скорости обмена информацией при использовании заявляемого способа с учетом ограничивающих факторов и при условии, что обработка ведется параллельно в Nfп (число поднесущих частот) каналах, рассчитаны по следующей методике.
[83]Скорость обмена информацией с учетом быстродействия АЦП рассчитывается по формуле
[84]
[85]Здесь: Vобра - скорость обработки в АЦП;
[86]Nбfп - число, в которое увеличивается скорость обмена за счет использования некоторого числа поднесущих частот (Nfп).
[87]Скорость обработки в АЦП рассчитывается по формуле
[88]
[89]где No - число используемых отсчетов.
[90]Скорость обмена информацией с учетом значения тактовой частоты (быстродействия) процессора рассчитывается по формуле
[91]
[92]Здесь: Vобрп - скорость обработки в процессоре;
[93]Nбfп - число, в которое увеличивается скорость обмена за счет использования некоторого числа поднесущих частот (Nfп).
[94]Скорость обработки в процессоре рассчитывается по формуле
[95]
[96]где: Fп - тактовая частота процессора;
[97]Nэо - число элементарных операций, используемых в алгоритме обнаружения наличия или отсутствия сигнала с некоторой частотой.
[98]Число элементарных операций рассчитывается по формуле
[99]
[100]где: Nосл - число операций сложения отсчетов;
[101]Nocp - число операций сравнения суммы отсчетов с порогом;
[102]Kэо - коэффициент, учитывающий увеличение числа операций, при использовании какой-либо математической операции.
[103]При расчетах использовались следующие значения переменных:
[104]Nосл - равно числу используемых отсчетов;
[107]В таблице 2 приведены результаты расчета скорости обмена информацией для различных ограничивающих факторов и различных значений параметров способа.
[108]Расчеты проводились для следующих значений ограничивающих факторов:
[109]- скорость работы АЦП - 200 Мбит/с;
[110]- тактовая частота используемого процессора 109 Гц.
[111]Обработку осуществляют на промежуточной частоте 100 МГц.
[112]
[113]На основе анализа данных, приведенных в таблице 2, могут быть сделаны следующие выводы:
[114]- фактором, ограничивающим скорость обмена информацией, является быстродействие АЦП;
[115]- при использовании одного периода сигнала (2 отсчета) и 32 поднесущих частот может быть обеспечена скорость обмена информацией около 500 Мбит/с.
[116]Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, приведена на фиг. 1, где обозначено:
[117]1.1-1.n - генераторы гармонических сигналов с первого по n-ый;
[118]2.1-2.n - электронные ключи с первого по n-ый;
[120]4 - устройство управления (УУ);
[121]5.1-5.n - аналого-цифровые преобразователи (АЦП) с первого по n-ый;
[122]6.1-6.n - сумматоры с первого по n-ый;
[123]7.1-7.n - пороговые устройства с первого по n-ый.
[124]Устройство содержит n параллельных цепей, каждая из которых состоит из соответствующих последовательно соединенных генератора гармонических сигналов 1.1-1.n и электронного ключа 2.1-2.n, при этом выходы электронных ключей с 2.1 по 2.n соединены с соответствующими входами блока сложения 3, выход которого является первым выходом устройства. (n+1)-ый выход устройства управления 4 соединен с управляющими входами генераторов гармонического сигнала 1.1-1.n. Выходы с первого по n-ый устройства управления 4 соединены с управляющими входами электронных ключей с 2.1 по 2.n соответственно. Вход устройства управления 4 является первым входом устройства, на который поступают входные данные в цифровом виде.
[125]Кроме того, устройство содержит n параллельных цепей, каждая из которых состоит из соответствующих последовательно соединенных АЦП 5.1-5.n, сумматора 6.1-6.n и порогового устройства 7.1-7.n. При этом входы АЦП 5.1-5.n объединены и являются вторым входом устройства, на который поступают входные сигналы, а выходы пороговых устройств 7.1-7.n - выходами устройства со второго по (n+1) соответственно. При этом пороговые устройства 7.1-7.n имеют вторые входы для подачи порогового напряжения.
[126]Устройство работает следующим образом.
[127]На первый вход устройства поступают входные данные в цифровой форме. Если данные поступают в последовательном виде, то в устройстве управления 4 их преобразуют в параллельный вид в соответствии с числом используемых частот.
[128]При поступлении в устройство управления 4 входных данных в нем формируют сигналы управления, которые представляют собой периодическую последовательность импульсов, которые поступают на управляющие входы генераторов гармонических сигналов 1.1-1.n и обеспечивают генерацию гармонических сигналов соответствующих частот.
[129]Сигналы с выходов генераторов 1.1-1.n поступают на входы электронных ключей 2.1-2.n соответственно, которые либо переходят в открытое состояние, либо остаются в закрытом состоянии в соответствии с управляющими сигналами, поступающими на управляющие входы электронных ключей 2.1-2.n, которые формируются в устройстве управления 4 в соответствии с входными данными.
[130]Сигналы с выходов электронных ключей 2.1-2.n поступают на соответствующие входы блока сложения 3, где складываются аналоговым способом. Сформированный сигнал поступает на первый выход устройства, который может быть подключен к передатчику любого известного типа.
[131]Далее сигнал передают по любому известному каналу передачи информации (воздух, вода, провод и т.д.).
[132]На этапе вхождения в связь осуществляют синхронизацию сигнала, любым известным методом, например путем обработки используемой кодовой последовательности.
[133]Аддитивную смесь сигнала и помехи, поступающую с выхода приемника (на фиг. не изображен), разветвляют и подают на входы АЦП 5.1-5.n, где смесь сигнала и помехи преобразуют в цифровую форму.
[134]Отсчеты в АЦП 5.1-5.n берут следующим образом.
[135]В первом АЦП 5.1 отсчеты берут с частотой, значение которой равно удвоенному значению частоты первого гармонического сигнала. Во втором АЦП 5.2 отсчеты берут с частотой, значение которой равно удвоенному значению частоты второго гармонического сигнала, и т.д. В n-ом АЦП 5.n отсчеты берут с частотой, значение которой равно удвоенному значению частоты n-го гармонического сигнала.
[136]Отсчеты с первого по n-ый АЦП 5.1-5.n поступают соответственно в сумматоры 6.1-6.n с первого по n-ый, в которых осуществляется суммирование отсчетов.
[137]Отсчеты берут следующим образом. Отсчеты с номерами k (k=1, 2, …, No/2, No - число используемых отсчетов) берут в момент, когда сигнал принимает положительное максимальное значение. Отсчеты с номерами 2k берут в момент, когда сигнал принимает отрицательное максимальное значение.
[138]В сумматорах 6.1-6.n рассчитывают суммы отсчетов для соответствующих групп отсчетов. При суммировании отсчеты с отрицательным значением берут с положительным знаком. С выходов сумматоров 6.1-6.n значения сумм отсчетов поступают соответственно в пороговые устройства 7.1-7.n, где сравниваются с установленным порогом.
[139]Значение порога устанавливают любым известным способом исходя из условия, что вероятность ложной тревоги не превышает заданный уровень (см., например, учебное пособие «Основы теории радиотехнических систем». Учебное пособие. // В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, Н.П. Мухин. Под ред. В.И. Борисова. Воронежский научно-исследовательский институт связи, 2004., стр. 57-58).
[140]В случае, когда значение суммы отсчетов превышает порог в каком-либо пороговом устройстве 7.1-7.n, на его выходе появляется напряжение установленного значения, например, единичного уровня, в противном случае на выходе данного порогового устройства 7.1-7.n сохраняется исходное напряжение, например, нулевого уровня. То есть, на выходах пороговых устройств 7.1-7.n формируется напряжение, с использованием которого может быть сформирован параллельный код принятой информации.
[141]Результаты моделирования процесса принятия решения о наличии сигнала какой-либо частоты приведены выше.
[142]АЦП 5.1-5.n могут быть выполнены, например, на микросхеме AD7495BR фирмы Analog Devices.
[143]Сумматоры 6.1-6.n могут быть выполнены, например, на микросхеме TMS320VC5416 фирмы Texas Instruments (США).
[144]Таким образом, заявляемый способ может быть реализован описанным устройством.
[145]Эффективность предлагаемого способа по показателю отношение мощностей помехи и сигнала превышает эффективность способа-прототипа практически в 2 раза. При этом отношение ширины полосы сигнала, используемого в рассматриваемом способе, к ширине полосы сигнала, используемого в способе-прототипе, составляет около 0,1. То есть, чувствительность приемника средства связи, в котором реализован предлагаемый способ будет в 10 раз ниже чувствительности приемника средства связи, в котором реализован способ-прототип.
[146]Вычислительная сложность предлагаемого способа ниже вычислительной сложности способа-прототипа в несколько десятков раз, что позволяет примерно во столько же раз повысить скорость обмена данными при применении данного способа.
