CC BY
118
Вестник Воронежского института МВД России №4 / 2014
А.Н.Глушков, А.В. Сидоров, О.И. Бокова
ВОЗДЕЙСТВИЕ ИМПУЛЬСНОЙ ПОМЕХИ НА ЦИФРОВОЙ ДЕМОДУЛЯТОР ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ
THE DEVICE DEMODULATION OF RADIO SIGNALS WITH A RELATIVE PHASE SHIFT KEYING WHEN EXPOSED
TO IMPULSE NOISE
Рассматриваются вопросы цифровой обработки радиосигналов. Приводятся результаты исследования характеристик устройства демодуляции радиосигналов с относительной фазовой манипуляцией при воздействии импульсных помех.
The article considers the issues of digital processing of radio signals. The research results of characteristics of the device demodulation of radio signals with a relative phase shift keying when exposed to impulse noise are given.
Сигналы с относительной фазовой манипуляцией (ОФМ) широко применяются в некогерентных системах передачи данных. Для их обработки целесообразно использовать быстрый цифровой алгоритм и соответствующее ему устройство демодуляции сигналов с ОФМ [1], в которых обеспечивается минимальное число арифметических операций на каждый обрабатываемый отсчет. Структурная схема демодулятора сигнала с двоичной ОФМ показана на рис. 1.
Рис. 1.
Входной сигнал с несущей частотой f поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), формирующего по четыре отсчета на период сигнала T = 1/ f, как показано на рис. 2, а, которые записываются в многоразрядный регистр сдвига на 4 отсчета МР4. Четные отсчеты подаются на нижнее вычитающее устройство ВЫЧ (рис. 1), формирующее отдельно на каждом i -м периоде разности x0j = s2 - s4, а нечетные —
на верхний вычитатель ВЫЧ, на выходе которого появляется величины xv = s — s3.
299
Научные сообщения
Полученные разности x0i и xh накапливаются в блоках накопления отсчетов
БНОо и БНОї в течение N = 2п поступивших периодов сигнала (на интервале времени NT, равной длительности информационного символа). Структурная схема одного БНО показана на рис. 2, б (СУМ — сумматоры, МР — многоразрядные регистры сдвига, которые в начальный момент времени обнуляются). Регистры МРк содержат 2к 1 ячеек памяти и реализуются на базе оперативного запоминающего устройства.
Рис. 2. Процедура формирования отсчетов входного сигнала (а) и структурная схема блока накопления отсчетов (БНО) (б)
При поступлении первого периода значение x складывается в СУМї с нулевым содержимым МРї, записывается в МРї и передается на вход СУМ2. В результате на выходе СУМ(п-ї) появляется величина y = x. После второго периода в СУМї формируется величина x + x2 и в результате y2 = x + x2.
В результате при i > N на выходах БНОо и БНОї для последних принятых N периодов соответственно получим
У0 = Х(54(j-ї) - 54(j-ї)+ 2),
Уї
j=ї
N /
I (
54(;-ї)+ї 54(;-ї)+3
) .
j=ї
По откликам БНО в сумматорах СУМо и СУМї формируются величины
\u00,i = y0,i + y0,i-N,
I U0U = Уї,, + Уи-N,
(ї)
(2)
(3)
(4)
а в вычитателях ВЫЧ0 и ВЫЧ — соответственно
Гиї0,г = y0,i - У0,i-N,
[ UH,i = Уї,і - Уї,i-N,
i — номер текущего периода сигнала, значения У0І_М и УХІ_М выбираются из регистров
МР0 и МРї. Квадратичные преобразователи (КВ) формируют отклики демодулятора на два соседних элемента сигнала с совпадающими или противоположными фазами,
300
Вестник Воронежского института МВД России №4 / 2014
z0,i л/u00,i + u01,i ’
(5)
Z1,i = VU10,i + U11,i ’ (6)
которые сравниваются в решающем устройстве (РУ), и если z0 > zx, то принимается решение о передаче соседних символов со сдвигом фазы 0, а иначе — ж.
Амплитудно-частотная характеристика канала обработки сигнала имеет вид
sin Г f л к f0 J
cos f ж л
12fo J
H (f) =
ее график показан на рис. 3, полоса частот между соседними нулями АЧХ
П = 2Af = 2f.
N
Как видно, демодулятор обладает частотно-селективными свойствами.
(7)
(8)
Рис. 3. Амплитудно-частотная характеристика канала обработки сигнала
При обработке сигнала с амплитудой S и воздействии белого шума с дисперсией с2ш вероятность ошибки равна [2]
1 4
Рош =-e 2, (9)
где отношение мощности сигнала к мощности шума на выходе демодулятора равно
7 S2
h = 2N S~ . (10)
&Ш
Выражение (9) совпадает с классической формулой потенциальной помехоустойчивости [3,4], то есть предложенный в [1] алгоритм демодуляции является оптимальным.
Зависимость вероятности ошибки роя/ от отношения сигнал/шум h показана сплошной линией на рис. 4, точками отмечены результаты статистического имитационного моделирования.
301
Научные сообщения
Рис. 4. Зависимость вероятности ошибки рош от отношения сигнал/шум h
Исследование помехоустойчивости демодулятора [1] при воздействии хаотических импульсных помех наталкивается на серьезные математические трудности, поэтому его целесообразно проводить методами статистического имитационного моделирования, подобный подход применен и в [5].
Для облегчения интерпретации результатов моделирования целесообразно использовать простую модель хаотической импульсной помехи в виде радиоимпульсов с фиксированной амплитудой SHn и несущей частотой /ИП, но со случайными равномерно распределенными значениями длительности радиоимпульсов и временных интервалов между ними, а также их начальных фаз.
В качестве примера рассмотрим некогерентный демодулятор [1] двоичного ОФМ сигнала с несущей частотой /0 = 10 МГц (длительностью периода T = 0,1 мкс), амплитудой S = 1 и числом периодов в информационном элементе N = 64 (длительность элемента т0 = N ■ T = 6,4 мкс) при случайных равновероятных передаваемых символах, полоса частот П = 312,5 кГц, при отсутствии шумовой помехи.
На рис. 5, а показан пример реализации импульсной помехи с частотой /ИП = 10 МГц, амплитудой SHn = 1, средней длительностью радиоимпульса тИ=тй и отношением длительности паузы к длительности импульса помехи q = тп 1тИ = 1. На рис. 5, б приведен нормированный спектр амплитуд помехи в окрестности несущей частоты, там же пунктиром показана нормированная АЧХ демодулятора (7).
-МО3 -2М03 0 2 5 103 5 103
б)
Рис. 5. Реализация импульсной помехи (а) и нормированный спектр амплитуд помехи
в окрестности несущей частоты (б)
302
Вестник Воронежского института МВД России №4 / 2014
Амплитуда SHn = 1 помехи постоянна, а колебания максимальных значений импульсов на рис. 5, а обусловлены положением на функции smn(t) моментов квантования (по четыре отсчета на период). Согласно рис. 5, б, спектр импульсной помехи согласован с АЧХ демодулятора.
На рис. 6, а показаны зависимости вероятности ошибки демодуляции рош от относительной средней длительности паузы между импульсами помехи q = тп / тИ, полученные в результате статистического имитационного моделирования для импульсной помехи на рис. 5. Как видно, с уменьшением интервалов между импульсами помехи вероятность ошибки увеличивается, достигая максимума при q = 0 (гармоническая помеха со случайно меняющейся начальной фазой, по форме близкая к передаваемому сигналу). Мешающее действие помехи усиливается с ростом ее амплитуды, когда она соизмерима с амплитудой полезного сигнала. Слабая импульсная помеха эффективно устраняется демодулятором.
На рис. 6, б приведены те же кривые, что и на рис. 6, а, но для различных значений средней длительности гя импульсов помехи. При уменьшении ее в два раза (тИ = 0,5г0) вероятность ошибки резко снижаются при всех значениях q, так как помеха становится более широкополосной и ее действие ослабляется благодаря фильтрующим свойствам демодулятора [1] (рис. 3).
На рис. 7 представлены результаты моделирования воздействия на демодулятор импульсной помехи, несущая частота /ИП которой отклоняется от частоты сигнала f = 10 МГц. Пример спектра импульсной помехи, смещенной относительно несущей частоты сигнала на 100 кГц, показан на рис. 7, а.
») «О
Рис. 6. Зависимости вероятности ошибки демодуляции рош от относительной средней длительности паузы между импульсами помехи (а) и для различных значений средней
длительности гя импульсов помехи (б)
303
Научные сообщения
Рис. 7. Спектр импульсной помехи, смещенной относительно несущей частоты сигнала на 100 кГц (а) и зависимость вероятности ошибки от расстройки (б)
На рис. 7, б показана зависимость вероятности ошибки от расстройки fmn - f при гя = т0 для различных q . Как видно, с ростом fmn - f влияние импульсной помехи существенно ослабляется, что также обусловлено фильтрующими свойствами демодулятора.
ЛИТЕРАТУРА
1. Глушков А.Н., Литвиненко В.П. Цифровой демодулятор сигналов с относительной фазовой манипуляцией. Патент РФ №2505922 С2 Н04В 1/10, опубликован
27.01.2014, бюл. №3.
2. Глушков А.Н. Помехоустойчивость цифровой квадратурной демодуляции сигналов с относительной фазовой манипуляцией / А.Н. Глушков, В.П. Литвиненко, П.А. Попов // Вестник ВГТУ, серия «Радиоэлектроника и системы связи». Вып. 4.3. — Воронеж, 2003. — С. 9—12.
3. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. — М.: Сов. Радио, 1970. — 728 с.
4. Информационные технологии в радиотехнических системах / под ред. И.Б. Федорова. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. — 846 с.
5. Антипенский Р.В. Разработка моделей преднамеренных помех сигналам с дискретной модуляцией // Компоненты и технологии. — 2007. — № 10. — С. 138—143.
REFERENCES
1. Glushkov A.N., Litvinenko V.P. Tsifrovoy demodulyator signalov s otnositelnoy fazovoy manipulyatsiey. Patent RF № 2505922 S2 N04V 1/10, opublikovan 27.01.2014, byul. № 3.
2. Glushkov A.N. Pomehoustoychivost tsifrovoy kvadraturnoy demodulyatsii signalov s otnositelnoy fazovoy manipulyatsiey / A.N. Glushkov, V.P. Litvinenko, P.A. Popov // Vest-nik VGTU, seriya «Radioelektronika i sistemyi svyazi». Vyip. 4.3. —Voronezh, 2003. — S.
9—12.
3. Fink L.M. Teoriya peredachi diskretnyih soobscheniy. — M.: Sov. Radio, 1970. —
728 s.
304
Вестник Воронежского института МВД России №4 / 2014
4. Informatsionnyie tehnologii v radiotehnicheskih sistemah / pod red. I.B. Fedorova. — M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2011. — 846 s.
5. Antipenskiy R.V. Razrabotka modeley prednamerennyih pomeh signalam s dis-kretnoy modulyatsiey // Komponentyi i tehnologii. — 2007. — № 10. — S. 138—143.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Глушков Алексей Николаевич. Доцент кафедры инфокоммуникационных систем и технологий. Кандидат технических наук.
Воронежский институт МВД России.
E-mail: anglush@rambler.ru
Россия, 394065, г. Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-31.
Сидоров Александр Викторович. Преподаватель кафедры инфокоммуникационных систем и технологий.
Воронежский институт МВД России.
E-mail: sidorov-av80@mail.ru
Россия, 394065, г. Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. 89204186214, 200-52-27.
Бокова Оксана Игоревна. Начальник кафедры инфокоммуникационных систем и технологий. Доктор технических наук, профессор.
Воронежский институт МВД России.
Россия, 394065, г. Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-25.
Glushkov Alexej Nikolaevich. Assistant professor of the chair of communication systems and technologies. Candidate of technical sciences.
Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-31.
Sidorov Alexander Victorovich. Lecturer of the chair of infocommunication systems and technologies.
Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov,53. Tel. 89204186214.
Bokova Oksana Igorevna. Chief of the chair of communication systems and technologies .Doctor of technical sciences, professor.
Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.
Work address: Russia, 394053, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-25.
Ключевые слова: узкополосный радиосигнал; цифровая обработка сигнала; квадратурный канал обработки; относительная фазовая манипуляция; демодуляция.
Key words: narrowband radio signal; digital signal processing; quadrature channel processing; the relative phase shift keying; demodulation.
УДК 621.391
305
