CC BY
43
С. А. Шерстюков, доктор технических наук, доцент Е. С. Герасименко
АНАЛИЗ СПОСОБОВ ДЕМОДУЛЯЦИИ ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННЫХ РАДИОСИГНАЛОВ
ANALYSIS OF METHODS OF DEMODULATION OF PHASE-MANIPULATED RADIO SIGNALS
В статье авторы проводят сравнительный анализ основных методов демодуляции фазоманипулированных радиосигналов. На основании анализа разработан новый быстрый алгоритм демодуляции радиосигналов, позволяющий обрабатывать радиосигналы с амплитудной и фазовой манипуляцией. Полученные результаты статистического и имитационного моделирования показывают, что использование сигналов с фазовой манипуляцией позволяет достичь лучших показателей по вероятности ошибки, чем использование этого же алгоритма для обработки сигналов с амплитудной манипуляцией.
In this article the author analyzes the main methods of demodulation of phase-manipulated radio signals. In this article, the topic is disclosed from the point of view of studying digital radio relay systems for transmitting information. The success of the chosen method of transmitting various information data along the digital radio relay systems for transmitting information paths depends very much on the chosen demodulation method. In other words, it depends on the reception method that is used in the digital radio relay systems for transmitting information, usually at an intermediate frequency.
Введение. В настоящее время развитие систем радиосвязи сопровождается значительным увеличением различных способов обработки радиосигналов. Цифровизация систем обработки информации увеличивает скорость обработки, зачастую не уступая в качестве. Ограниченность частотного ресурса ставит некоторые ограничения для обработки частотноманипулированных сигналов. Поэтому перспективной в области демодуляции радиосигналов является работа с фазовой манипуляцией.
Особенности фазоманипулированного сигнала.
Фазоманипулированный сигнал имеет следующий вид:
Фазоманипулированный сигнал, в дальнейшем (ФМ), а также в англоязычной литературе «binary phase - shift keying», выглядит следующим образом:
д( t) ■ с оs( 2 nfct + <рт(t)) ,
д ( t) определяет огибающую сигнала;
Рт (t) — моделирующий сигнал;
fc — частота несущей;
t — время;
рт(t) принимает дискретные значения М — 2, 4, 8...
Наиболее простая из различных форм фазовой манипуляции — двоичная фазовая манипуляция (БР8К).
Работа этой схемы заключается в том, что фаза несущего колебания смещается на 0 или п и получается так, что двоичная манипуляция может рассматриваться в виде частного случая ^Р8К), то есть квадратурной манипуляции.
а)
б)
Рис. 1. Принцип двоичной модуляции (а) и осциллограммы сигналов при двоичной демодуляции (б)
Прием осуществляется посредством обработки радиосигнала так, чтобы изначальный сигнал, передаваемый источником, был восстановлен. Роль приемника играет устройство, которое осуществляет такой метод приема, а его функции — это полная обработка сигнала на входе, до получения исходного сигнала с соответствующим уровнем и наименьшими искажениями.
Демодулятор — это главный узел приемного устройства. Он является в ЦРСП самым сложным устройством, таким образом, демодулятор определяет качество всей системы приема в целом.
Если на приемной стороне известны фазы окончания — начала передачи сигнала, то такие системы называются синхронными. Это улучшает помехоустойчивость, а значит, и качество приема, при этом вид модуляции имеет второстепенное значение. Вместе с посылкой сигнала также передаются синхроимпульсы в начале и в конце сигнала.
Когерентное детектирование. Когерентное детектирование, при строгом условии совершенной синхронизации по несущей частоте, является самым оптимальным способом приема сигналов ОФМ, так как высокая помехоустойчивость, обеспечиваемая им, максимально возможна. Когерентная модуляция является самой помехоустойчивой из всех видов ФМн, то есть при использовании бинарной ФМн вероятность ошибки при приёме данных наименьшая. Но так как каждый символ является носителем всего лишь одного бита информации, именно это обуславливает наименьшую в этом методе фазовой модуляции скорость.
Рис. 2. Схема когерентного приемника сигналов с ФМн
Применяемые способы: корреляционный, когерентный и автокорреляционный, хотя большую помехоустойчивость имеет когерентный.
Приведем описание работы устройства. Работа выделенной области: сигнал, поступает на ВКН, который состоит из удвоителя частоты, делителя частоты и узкополосного фильтра. Выходное напряжение фазового детектора умножается на сигнал ОФМ, и опорное колебание, которое фильтруется в (ФНЧ), восстанавливается в регенераторе (Рег), поступает на детектор относительного кода, т. е. устройство сложения и-той и и-той минус один посылок по модулю 2, и затем в преобразователе кода преобразуется в ак -катый абсолютный код.
Совершенно логично, что результатом перечисленных преобразований является заметное уменьшение полезного сигнала.
В технической литературе также известна разновидность когерентного модулятора, схема которого приведена на рис. 3.
Рис. 3. Схема демодулятора фазоманипулированных сигналов
Когерентная демодуляция сигналов наиболее эффективна относительно помехоустойчивости и быстродействия, но требует согласования передающего и приемного устройств.
В структурную схему устройства когерентной демодуляции сигналов необходимо включать устройство согласования или АСП, который так же будет выполнять функцию согласования принятого сигнала с переданным.
Некогерентный прием ^гналов (взаимнокорреляционный и автокорреляционный). Некогерентное детектирование. Здесь применяется метод обработки, при котором предполагается, что начальная фаза сигнала априорно неизвестна и может принимать любые значения на интервале от 0 до 2Т. Такой приемник называется некогерентным (несогласованным).
В таких случаях применяют приемник корреляционного типа, который рассматривается в данной статье. По своим характеристикам из некогерентных способов приема сигналов именно он получил наибольшее распространение в системах с низкой скоростью передачи данных.
При таком методе приема (рис. 4.) в качестве сигнала опорного генератора используется задержанный на длительность тактового интервала ФМ-сигнал.
Некогерентный приемник можно реализовать и на основе сравнения фаз. При переходе от КП (когерентный прием) к НП (некогерентный прием) проигрыш в помехоустойчивости оказывается небольшим, причем с увеличением требований к верности приема он уменьшается. В связи с этим, а также ввиду значительных сложностей получения опорных сигналов, синфазных с принимаемым сигналом, как правило, переходят к НП даже в тех случаях, когда фаза изменяется очень медленно.
ФД
Рис. 4. Структурная схема
Задержанный на длительность тактового интервала ФМ-сигнал используется в качестве сигнала опорного генератора. Когда рядом находящиеся посылки имеют аналогичные фазы, то на выходе формируется сигнал с положительным значением, когда посылки синфазны — с отрицательным значением.
В качестве запоминающих могут быть применены различные устройства, хранящие в своей памяти информацию о его фазе.
Далее следует регенератор, определяющий знак напряжения на самом выходе ФМ-демодулятора, который выдает двоичные символы в абсолютном коде сразу, получается, что все нужное преобразование выполняется в ФД.
Для выделения сигнала тактовой частоты в качестве первого звена необходимо использовать нелинейный элемент, выполняющий функции перемножителя и выпрямителя. Необходимый компонент с тактовой частотой содержится в спектре сигнала после необходимого нелинейного преобразования и в дальнейшем выделяется с помощью узкополосного фильтра, реализованного в виде резонансного контура, кварцевого
фильтра, а также в виде системы ФАПЧ, в зависимости от требований, предъявляемых к фазовым дрожаниям сигнала тактовой частоты.
Сравнение помехоустойчивости ОФМ с другими видами манипуляций: частотной и амплитудной — работает в пользу первой. Она является приоритетной в технике связи в настоящее время.
Автокорреляционный метод уступает когерентному по помехоустойчивости. Связано это с тем, что сигналы, принимаемый и задержанный — опорный, неминуемо искажаются, проходя через различные цепи. Когерентный демодулятор позволяет осуществлять возможность фильтрации опорных колебаний. Хотя в данном случае может применяться более простой декодер, что, несомненно, является большим преимуществом.
На основании изложенного перспективным методом демодуляции сигналов является когерентный прием фазоманипулированных сигналов.
В рамках исследований предложен быстрый алгоритм когерентной демодуляции радиосигналов. Модулированный сигнал представлен в виде выражения
s(t) = S(t)cos(2nf0t + НО), С1)
где S(t) — его амплитуда, fo — несущая частота, y(t) — начальная фаза, значение которой изменяется в соответствии с передаваемыми информационными символами, длительность которых равна N периодам несущей Tq = 1 / fo .
При цифровой обработке сигнала временная дискретизация осуществляется по теореме В. А. Котельникова, в соответствии с которой частота дискретизации равна удвоенной ширине спектра:
fd = 2(fo + F). (2)
Частота дискретизации может выбираться и выше, и ниже границы (2). Критерием качества дискретизации является возможность восстановления исходного сигнала по последовательности дискретизированных отсчетов.
При разработке быстрых цифровых алгоритмов когерентной демодуляции сигналов частота дискретизации выбирается исходя из необходимости решения поставленной задачи.
Для когерентной демодуляции сигнала с двоичной ФМ вида
s(t) = S cos(2nf üt+^(t)), (3)
где S — постоянная амплитуда, а y/(t) = 0 или ж — начальная фаза, значения которой определяются передаваемыми символами, необходимо выбрать частоту дискретизации из условия
/д = 2/„. (4)
Временная диаграмма дискретизации сигнала в синхронном режиме показана на рис. 1. Как видно, соседние отсчеты оказываются противофазными и на каждом периоде si = S • cos(y ), s2 =-S • cos(y), а их разность равна x = si — s2 = 2S • cos(y) , где у = 0 или у = ж. При у = 0 получим x = si — s2 = 2S , а при у = ж соответ-
ственно х = — 52 = —25 . Таким образом, при накоплении значений х^ в течение N периодов имеется возможность принимать решение о принимаемом символе по накопленным значениям суммы ± 2 N5
С той же частотой необходимо дискретизировать сигналы с многопозиционной АМ, при этом решение может приниматься по значениям накопленных сумм разностей отсчетов за N периодов.
Рис. 5. Временная диаграмма дискретизации сигнала в синхронном режиме
Дискретизация сигнала с частотой (4) может использоваться при демодуляции сигнала с ОФМ, если проводить накопление отсчетов на предшествующем и текущем элементах сигнала с последующим суммированием и вычитанием результатов накопления. Если фазы сигнала в этих элементах совпадают, то сумма (за 2N периодов) будет равна ± 4 NS , а разность 0, а в противном случае — наоборот, что и позволит де-модулировать сигнал с ОФМ. Для обработки сигналов с четырехпозиционной ФМ и КАМ предлагается выбирать частоту дискретизации равной
П = 4/о
(5)
(в два раза выше требуемой по теореме В. А. Котельникова). Это позволяет получить на периоде несущей частоты следующие значения отсчетов:
5! = 5'С05(^),
52 = 5С08(У + 71/2) =
53 - £С05(У + Л") — -^СОБ^),
$4 = 5 + Ъл / 2) = 5 5т(у/), ^
где у принимает одно из значений: 0, 71/2, 71 и Ъл / 2. Примеры дискретизации сигнала при у = 0 и у = Ъл / 2 показаны на рис. 6, а и рис. 6, б соответственно. Как видно, четные и нечетные пары отсчетов ортогональны и для обработки сигнала можно исиользовать разности
s(t)/S s(t)/S
0..5 О
-0.5 -1
\S1 7
$2 S2
s4 s4
siiv sK
0.5
2\ /s 2\
/ S3 \Ъ
Sl Sl /
\s 4/ \s
-0.5
ьт„ __\У |уг0
О 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2
а) б)
Рис. 6. Примеры дискретизации сигнала при Щ = 0 и Щ = 3п/2 Для различных у значения Х\ и Х2 приведены в табл. 1.
Таблица 1. Значения разностей отсчетов Л\ и Х2 для различных у
¥ 0 ж/2 ж 3ж/2
x 2S 0 - 2S 0
Х2 0 - 2S 0 2S
Как видно, по значениям Х\ и Х2 можно принимать решение о фазе принимаемого четырехпозиционного ФМ сигнала.
Дискретизация сигнала с частотой (5) позволяет реализовать два квадратурных канала обработки, что необходимо для демодуляции сигналов с КАМ.
Рассматриваемый подход можно использовать при умножении частоты радиосигнала для обработки многократных фазоманипулированных сигналов. Удвоение частоты сигнала вида (1.1) приводит к формированию сигнала вида
S2(t) = S2COs(4f + . (8)
Его дискретизация с частотой
fö = 8/0 (9)
позволит обрабатывать сигналы с восьмикратной ФМ.
Таким образом, выбирая подходящую частоту дискретизации, можно реализовать демодуляцию разнообразных сигналов.
В рамках исследования реализован способ демодуляции радиосигналов с амплитудной и фазовой манипуляцией. Разработанные программы статистического имитационного моделирования устройств демодуляции радиосигналов с амплитудной с фазовой манипуляцией позволяют определить вероятность ошибки теоретическим и экспериментальным (расчетным) путем. Внешний вид интерфейса программ представлен на рис. 7.
в) г)
Рис. 7. Программы статистического имитационного моделирования когерентного демодулятора сигналов: а — двоичных ФМ сигналов, б — четырехпозиционных ФМ сигналов, в — многопозиционных АМ сигналов, г — сигналов с КАМ
Работа программ статистического имитационного моделирования описана на примере программы когерентного демодулятора сигналов с двоичной фазовой манипуляцией (рис. 7, а). Программа разработана в среде Delphi, ее рабочее окно показано на рис. 7, а. В верхней его части расположены поля редактирования несущей частоты (по
умолчанию /0 = 10 МГц), объема выборки символов L = 1 000 000, числа N = 64 периодов Т0=1/ f0 в информационном символе и значения отношения сигнал/шум h дБ (начальное, конечное и шаг изменения).
В левой части рабочего окна расположен выпадающий список выбора цифровой модели узкополосного приемного тракта при NM = 0 (тракт отсутствует) и NM = 16, 32, 64, а также поле ввода значения отклонения фазы Дф опорного генератора от состояния идеальной синхронизации (по умолчанию Дф=0). Ниже расположена таблица вывода результатов моделирования с теоретическим и экспериментальным значениями вероятности ошибки. В графической области показана теоретическая (сплошная линия) и полученная в результате статистического имитационного моделирования (отмечена точками) кривая, характеризующая корреляцию вероятности ошибки и отношения сигнал/шум h дБ.
Приведенные на рис. 7, а результаты соответствуют N = 64, Nm = 0, и Дф = 0. Как видно, результаты моделирования подтверждают теоретические расчеты.
Программы моделирования позволяют анализировать изменение вероятностей ошибки в зависимости от несущей частоты, объема выборки, длительности символов, а также числа многопозиционности. Изменяя входные параметры, возможно рассмотреть влияние узколополосности радиотракта на прием сообщений.
Заключение. Таким образом, разработанный алгоритм демодуляции радиосигналов позволяет обрабатывать сигналы с амплитудной и фазовой манипуляциями, однако программы статистического и имитационного моделирования показывают, что использование сигналов с фазовой манипуляцией позволяет достичь лучших показателей по вероятности ошибки, чем использование этого же алгоритма для обработки сигналов с амплитудной манипуляцией.
ЛИТЕРАТУРА
1. Basic algorithm for the coherent digital processing of the radio signals / A. N. Glush-kov, V. P. Litvinenko, B. V. Matveev, O. V. Chernoyarov // International Conference on Space Science and Communication, IconSpace. — 2015. — Vol. 015-September. — Article number 7283834. — P. 389—392.
2. Спилкер Дж. Цифровая спутниковая связь / пер. с англ. под ред. В. В. Маркова. — М., Связь, 1979. — 592 с.
3. Цифровые радиорелейные линии [Электронный ресурс]. — URL: https://siblec.ru/ telekommunikatsii/sputnikovye-i-radiorelejnye-sistemy-peredachi/8 (дата обращения: 16.08.2021).
4. Герасименко Е. С. Алгоритм цифровой когерентной демодуляции четырех-позиционных фазоманипулированных сигналов // Телекоммуникации. Наука и технологии. — 2017. — № 10. — С. 12—17.
5. Герасименко Е. С. Алгоритм цифровой когерентной демодуляции фазоманипу-лированных сигналов и его характеристики // Вестник Воронежского института МВД России. — 2017. — № 1. — С. 137—143.
REFERENCES
1. Basic algorithm for the coherent digital processing of the radio signals / A. N. Glush-kov, V. P. Litvinenko, B. V. Matveev, O. V. Chernoyarov // International Conference on Space Science and Communication, IconSpace. — 2015. — Vol. 015-September. — Article number 7283834. — P. 389—392.
2. Spilker Dzh. Tsifrovaya sputnikovaya svyaz / per. s angl. pod red. V. V. Markova.
— M., Svyaz, 1979. — 592 s.
3. Tsifrovyie radioreleynyie linii [Elektronnyiy resurs]. — URL: https://siblec.ru/ telekommunikatsii/sputnikovye-i-radiorelejnye-sistemy-peredachi/8 (data obrascheniya: 16.08.2021).
4. Gerasimenko E. S. Algoritm tsifrovoy kogerentnoy demodulyatsii chetyireh-pozitsionnyih fazomanipulirovannyih signalov // Telekommunikatsii. Nauka i tehnologii. — 2017.
— # 10. — S. 12—17.
5. Gerasimenko E. S. Algoritm tsifrovoy kogerentnoy demodulyatsii fazomanipuliro-vannyih signalov i ego harakteristiki // Vestnik Voronezhskogo instituta MVD Rossii. — 2017. — # 1. — S. 137—143.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Шерстюков Сергей Анатольевич. Профессор кафедры инфокоммуникационных систем и технологий. Доктор технических наук, доцент.
Воронежский институт МВД России. E-mail: sherserge@gmail.com
Россия, 394065, Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-26.
Герасименко Евгений Сергеевич. Преподаватель кафедры математики и моделирования систем. Воронежский институт МВД России. E-mail: jenya35353@yandex.ru
Россия, 394065, Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-16.
Sherstyukov Sergey Anatolyevich. Professor of the chair of Infocommunication Systems and Technologies. Doctor of Technical Sciences, Associate Professor.
Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia. E-mail: sherserge@gmail.com
Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-26.
Gerasimenko Evgeny Sergeevich. Lecturer of the chair of Mathematics and Systems Modeling. Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia. E-mail: jenya35353@yandex.ru
Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-16.
Ключевые слова: демодулятор; демодуляция сигналов; фазоманипулированный сигнал; радиорелейная система передачи.
Key words: demodulator; signal demodulation; phase-manipulated signal; radio relay transmission system.
УДК 621.39
