CC BY
4
Visnyk N'l'UU KP1 Seriia Radiolekhnika tiadioaparatobuduummia, "2019, Iss. 78, pp. 13—18
УДК 621.376.9
Ефективна демодулящя QPSK сигнал!в у каналах з несприятливими умовами радюприймання
Круглик О. С.1, Калюжний О.Я.2, Семенов В. Ю.1
хТОВ "Дельта СПЕ", м. Кшв 2Нацшнальний техшчний ушверситет Украши "Кшвський пол!техшчний ¡еститут ¡мен! Ггоря С!корського"
E-mail: olchius2008L<tukr.ncl
Голов1шм завдаппям приймача в системах цифрового зв'язку е забезпечеш1я миималыго! 61тово1 по-хибки при приймапш передаппх да1шх. Тому в!д якост! демодуляцп сигпал!в заложить у зпачпш Mipi яшсть цифрового зв'язку в цшому. Кр1м того, в каналах з несприятливими умовами радюприймаппя. яким характерна швидка змша параметр!в сигналу впасл!док часового та частотного допплер1вського розсиовапь. а також е иев1домими характеристики основного каналу передаваппя. вппикають ситуацп, коли бглышсть модем!в не дозволяють забезпечити яшспий прийом сигналу. Отже. шдвпщеппя ефе-ктпвпост! демодуляцп було i залишаеться актуалышм завдашшм для сучаспо! техшки радюприймаппя та оброблешш сигпал!в. Стаття присвячепа проблем! приймашш сигпал1в з фазовою машпулящею у каналах 1з несприятливими умовами передач!, оскгльки в бглыност! сучаспих систем цифрового зв'язку фазова машпуляц!я е основою ф1зичпого р!впя передаваппя. Проведено апал!з icnyionnx pinieiib та розгляпуто пбрпдпий метод демодуляцп сигпал1в. який поедпуе алгоритми прямого оцпповаппя пара-метр!в сигналу (feedforward) з подалыною сипхрошзац1ею параметр!в у схемах з! звороташм зв'язком (feedback алгоритми). Початкова оцшка змщеппя iiocifuio'i частоти. фази та часово! затримки сигналу впкопуеться по в!домш ушкальшй вставц! i отрнмаш оцшки застосовуються при ппц1ал1заци схем з! зворотпим зв'язком для миттевого входу в режим стежеппя. Викопапо пор1вшовалы1е моделюваппя в!домих традицшпих метод!в демодуляци та пбридпого методу па приклад! сигналу з квадратурною фазовою машпуляц!ею (QPSK). Отримаш результатн шдтверджують. що в умовах швидко! змпш параметр!в сигналу пбридпнй алгоритм забезпечуе мпимальпе зпачеппя б1тово1 похибки в залежпост! в!д SNR у пор1впяпш з траднцпшими методами. Розгляиутий шднд сипхрошзацп також можпа вико-ристовувати для сигпал1в з шшими видами фазово! машпуляцп. Бгльше того, запропоповапе пбридпе поедпаппя алгоритм!в feedback i feedforward дозволило застосовувати алгоритми з! зворотпим зв'язком до сигпал1в з пакетпим режимом передаваш1я дапих.
Клюноог слова: демодулящя QPSK сигпал1в: песпрпятлгнм умови радюприймаппя: TDMA: частотш спотвореппя
DOI: 10.20535/RADAP.2019.78.13-18
Вступ
Для сучасного етапу розвитку засоб1в зв'язку характерно постшно шдвищення вимог щодо швид-KOCTi передач! та над1йноста приймашш цифрово! шформанщ Ключову роль у забезпеченш цих ви-мог ввдграе вдосконалоння метод1в модулящ! та демодулящ1 сигнал1в. серед яких чшыге мкце беспорочно наложить фазовш машпулящ1 [1]. Голов-ними чинниками. що стимулюють цой процес. е суттево розширення робочих смуг сучасних телекому шкацшних мереж. icTOTHO збшынення кшькосп режтпв передач! та значне шдвищення вимог щодо умов i'x функщонування. У свою чергу. вдосконало-ння систем домодулящ! сигнал1в Ticiio пов'язано з нообхщшетю розвитку вщповщних метод1в синхро-
шзащ! та шдвищення 1х стшкоста до носприятливих фактор1в серодовища. До таких фактор1в. зокрема. вщносяться швидш зм1ни умов передач! сигнал1в та характеристик зовшшшх завад внасл1док процейв часового розс1ювання сигнал1в та допплор1вського розширення 1х споктр1в. Також техшка домодулящ! суттсво заложить в1д режиму передач! шформащ'ь який може бути пакетпим або безперервним. При цьому обидва щ рожим1 в одшй систем! можуть бути застосован1 одночасно. ало для р1зних п1дсистом. що висувае додатков1 вимоги до побудови в1дпов1диих ун1ф1кованих блошв демодулящ!.
Для шюстращ! сказаного на рис. 1 та 2 наведено д1аграми розс1ювання сигнал1в (сигнальн! «суз1р'я») по виходу приймача модему, робота демодулятора якого основана на класичних методах
14
Крутлик О. С., Калюжний О.Я., Семенов В. Ю.
feedforward або feedback, з цифровою передачею за методом квадратурноУ фазовоУ маншулящУ (QPSK). Рис. 1 вщпов!дае каналу з адитивним бшим ^ав-с!вським шумом (AWGN), в якому мае Micne ненадежна частотна та фазова синхрошзащя сигна-л!в, рис. 2 - наявност! м!жсимволвноУштерференпп (ISI). Цшком зрозумшо, що при таких спотвореннях сигналу на високу ягасть демодуляпп розраховувати важко.
Рис. 1. Суз1р'я QPSK сигналу в канал! з частотними та фазовими спотвореннями
Рис. 2. Суз1р'я QPSK сигналу в канал! з ISI
Для боротвби з вказаними несприятливими факторами в сучасних модемах зв'язку застосову-ютвея так! методи як: еквалайзери каналу, синхрошзащя з прямою ощнкою параметр!в сигнал!в (feedforward), алгоритми синхрошзащУ 3i зворотною петлею та автошдстроюванням (feedback). Прикла-
ди алгоритм!в feedforward i feedback наведено в роботах [1-3].
Але в каналах 3i швидкими змшами умов передач! та у раз! необхщност! комплексування режим!в безперервноУ та пакетноУ передали в казан! стандар-тн! методи не завжди спрацвовуютв.
У дашй робот! показано, шо ефективним методом подолання них недол!гав може бути ибри-дний алгоритм демодуляпп сигнал 1в, який базуе-твея на сшлвшй узгодженш робот! алгоритм!в тишв feedforward та feedback. Таке поеднання забезпе-чуе найбшвш ефективну боротвбу i3 спотвореннями сигналу в умовах швидкоУ змши характеристик каналу передавання. Заиропонований шдхщ базуе-твея на частково слшш ощнщ характеристик каналу (ощнка при вщомих: модулящУ, приблизит носшнш частот! i структур! даних, що передаютвея) та вико-ристовуе вщом! властивост! модулящйного формату сигналу. Також запропонована евристична побудова блоку прийняття р!шення на основ! feedback алгори-тм!в.
1 Анал1з кнуючих pinieHb
Еквалайзери е добре вщомим та дуже пошире-ним засобом компенсацп лшшних спотворенв сигналу в канал!, яга використовуютвся в системах зв'язку при вщносно невелигай похибщ синхрошзапп. Еквалайзери - це методи компенсапп спотворенв сигналу вщповщно до вщомих характеристик каналу передавання. Однак, для компенсацп нелшшних спотворенв та при швидких змшах характеристик каналу щ засоби не завжди е ефективними. Алв-тернативними методами синхрошзапп параметр!в сигналу, яга не потребуютв вщомих характеристик передавання е feedforward [Al] i feedback [А2] алгоритми.
Feedforward синхрошзащя [1] - це метод ощнки параметр!в сигналу (частота, фази, часовоУ похиб-ки) на певному пром!жку сигналу, зазвичай з вщо-мими характеристиками чи символами, для подалв-шоУ синхрошзащУ вевого сигналу згщно отриманих ощнок. Головна щея feedforward алгоритм!в [1], [3] - пряма ощнка i синхрошзащя параметр! в окремо-го пакету даних сигналу, що дозволяв обробляти кожей пакет незалежно вщ рашше отриманих даних (рис. 3). Осгалвки синхрошзатор не мае пам'ят! пом!ж пакетами даних, то середня квадратична помилка синхрошзапп однакова для Bcix пакета в. Отже, не 1снуе перехщних процеав, тому ощнку звичайно можна вважати "миттевою". Ощнки синхрошзащУ фази i символвноУ похибки в feedforward алгоритмах отримуютв шляхом максим1запп вщпо-вщноУ цшвовоУ функщУ над поточними значениями фази, носшноУ частота та часовоУ затримки. Якщо така максим!защя для щонайменше одного параметру може бути здшенена незалежно вщ шших параметр!в синхронiзащ У, то загалвна максим!защя
зводиться до кшькох одновимфних максимюащй. Перевагою feedforward алгоритм1в е швидюсть оцш-ки параметр1в з використанням вщомо! ушкально! вставки (так званих пшот-сигнал1в) або на осно-Bi anpiopHoro знания формату сигналу. Недолжом цих алгоритм1в е можлива неактуальшсть ощнки на протяз1 всього пакету при швидкш змпп характеристик каналу передавання.
Feedback алгоритми [2], [4] базуються на тому, що у петл1 зворотного зв'язку використовуються де-тектори помилок (фази i символьно!' синхрошзащ!'), яю приблизно визначають знак i величину миттево! иомилки М1ж фактичними значениями параметр1в синхрошзащ! та i'x ощнками (рис. 4).
г(1)
Узгоджений фшьтр х(к) Корекщя
до детектору даних
Петлевий е(к) Детектор
фшьтр похибки
2 Пбридний метод демодулящ1 сигнал1в
Розгляиемо модель сигналу на вход! приймача: r(t) = s(t)+w(t), (1)
де
s(t) = ej^ ag(t — iT — т),
(2)
w(t) - адитивний бшпй ^ававський шум, {q} - ш-формацшш символи, T - трпвалшть сим волу, g(t) - характеристика формуючого фшьтру. В форму-
стосуванш до сигналу (1) узгодженого фшьтру та при t = kT + т, отримуемо дискретний сигнал:
х(к) = Cke
i р™(*Г+г )+в] +п(к ),
(3)
Рис. 3. Feedforward спнхрошзащя
3 вихщних сигнал1в детектора помилок розра-ховуеться коефщент корекцп', який застосовуеться до параметр1в синхрошзащ!', що зменшуе величину помилки попередньо! ощнки. На початку прийому сигналу величина помилки ощнки може бути великою, однак внаслщок роботи вщповщного зворотного зв'язку через певний час ця величина поступово зменшуеться. Перевага feedback методу полягае в безперервнш ощнщ та синхрошзащ! параметр1в про-тягом передавання даних. Однак, основний недолж feedback алгоритм1в - це затрата часу на початкове налаштування параметр1в. Для сигнал1в з техноло-rieio миожииного доступу та часовим роздшенням (TDMA) таке налаштування треба виконувати на кожному пакет! даних, що може призвести до втра-ти шформацп.
де п(к) - шумова складова. Отже, в приймальнш ча-стин1 иеобхщно ощнити i компенсувати сиотворення е?та г.
Для боротьбп i3 вказаними спотвореннями, в данш робот1 пропонуеться застосувати алгоритм спнхрошзацп [Р1], в якому також використовуються перел1чеш класичш методи, але не окремо, а у !'х поеднанш. Сутшсть даного методу полягае в тому, що feedforward алгоритми пропонуеться використо-вувати для ощнки початкових параметр1в сигналу на еташ встановлення з'еднання. Шсля входження системи у стан супроводу параметр1в надал1 в основному застосовуються алгоритми feedback. Однак, при цьому алгоритми feedforward також застосовуються, але лише для перюдпчно! корекцп системи. Таке пбридне застосування метод1в feedback i feedforward е ефективним засобом покращення яко-CTi демодуляцп' сигналу.
Параметри пбридного демодулятора шдбпралп-ся емшрпчно, шляхом численних натурних та нашв-натурних експеримент1в. В результат! було знайдено параметри пбридного демодулятора, яю забезпечу-ють високу ефективн!сть його роботи в реальних супутникових радюканалах. Зокрема, на еташ встановлення з'еднання пропонуеться використовувати так! методи feedforward:
- ощнка зм!щення частоти за допомогою моди-фжованого алгоритму Лу!'за та Рег'ян!н! [5]:
1
Рис. 4. Feedback спнхрошзащя
Отже, для яюсно! спнхрошзацп (забезпечеиня м!и!мального значения BER з можливштю подаль-Hio'i обробкп шформацп') в несприятливпх умовах радюприймання, перел!чеш методи, в !'х класичному розум!нн!, не завжди е придатними для застосування.
v =
nT (N + 1)
arg
{Luw N Л
£ £ * м
1=1 т= 1 )
(4)
де
К (т) =
Liiw ^^
Г Luw У^ х(к)Х*(к)х
к=т
х х* (к — т)Х(к — т) ^
1
16
Круглик О. С., Калюжний О.Я., Семенов В. Ю.
1 Ьиш- довжина ушкально! в ставки, х(к)- сим-воли ушкально!' вставки, N = Ьит/2;
зм1щення фази може бути розраховане за насту пною формулою:
О = arctan
Е х(к)х(к) к=1_
Е l*WI2 к=1
(б)
де Luw- довжина ушкально! вставки i х(к)-символи ушкально! вставки;
- часове зм1щення обчислюеться на основ1 коре-ляцшно! функцп:
. = R(k - 1) - R(k + 1)
R(k - 1) - 2R(k) + R(k + 1)' 1 J
де R(k) - коефщент кореляцп вхщного сигналу х(к) з вщомими символами ушкально! вставки х(к).
Основою feedback алгоритм1в пбридного демодулятора е петля Костаса [6], в якш для ощнки зм1щення фази та частоти пропонуеться використо-вувати детектор:
ее (к) = Im (х(к))3 * Re(x(k))-
3 (8) - Re (х(к))3 * Im(x(k)).
Часову синхрошзащю пропонуеться виконува-ти за допомогою петл1 Гарднера [7] з детектором похибки:
( \х(кТ - Т + тк-1)-ет(к) = Re V - х(кТ + тк) V , (9)
, х (х* (кТ - Т/2 + тк+1)),
де х* (к)- комплексне спряжения х(к).
3 Результаты експерименталь-них дослщжень
Рис. 5. Структурна схема модел1 розрахунку BER для розглянутих метод1в
Табл. 1 Параметри сигналу
позицшшеть модуляцп QPSK
тип множинного до- TDMA
ступу
тип формуючого фшь- KopiHb квадратний вщ
тру 1 коефщент згла- припщнятого косинусу,
джування 0.35
вщносна частота дис- 2 вщлжи на символ
кретизацп
довжина пакету даних 16384 6iT
довжина ушкального 64 6iT
слова Ьиш
похибка носшно! ча- 0.0001 % вщ символь-
стоти V но! швидкост!
похибка символьно!' [0:100] % вщ тривалост!
синхрошзацп т символу
эт [0:15] дБ
Для пор1вняння, в програмному середовипц Matlab, було проведено моделювання алгоритм1в feedforward, feedback та запропонованого пбридного методу. Структура модел1 зображена на рис. 5. Параметри системи передавання, що були використаш в робот1 при виконанш комп'ютерного моделювання, наведеш у табл. 1. Функциональна схема запропонованого пбридного методу демодуляцп показана на рис. 6.
Змша параметр1в вщбувалася на протяз1 всього пакету тестових даних. Розраховаш характеристики 6iTOBOi похибки (Bit Error Rate, BER) в залежност1 вщ вщношення сигнал-шум (Signal-to-Noise Ratio, SNR) (рис. 7), показують, що запропонований метод демодуляцп' е бшын стшким до змш характеристик каналу шж вщом1 класичш пщходи i забезпечуе найменшу б1тову похибку при однакових значениях SNR в результат! синхрошзацп.
SNR(db)
Рис. 7. Залежшсть ôîtoboï похибки вщ сшввщношення сигнал/шум
3 розгляду пред став лених результат1в видно, що для сигналу 3i швидкими змшами фази i часово!' затримки заиропонований пбридний алгоритм демодулящ!' забезпечуе значно меншу б1тову похибку при однакових умовах приймання у пор1внянш 3i стандартними методами. Тобто, при фжсованому значенш BER = 10-1 запроионований метод мае ви-граш в SNR у всьому д1апазош вщ 0 до 15 дБ. Зокре-ма, при SNR = 5 dB одержано значения BER = 0.04 для запропонованого алгоритму, BER = 0.12 для feedback алгоритму i BER = 0.18 для feedforward алгоритму.
Висновки
В данш робот1 розглянуто завдання демодулящ!' сигнал1в з фазовою маншулящею у несприятли-вих умовах радюприймання. Проанал1зовано вщом1 методи класпчно!' демодулящ!', яю застосовуються в сучасних модемах зв'язку. Об^рунтовано доцшь-н1сть застосування у даних умовах пбридних ал-горитм1в спнхрошзащ!' та щентпфжащ!' сигнал1в. В результат! виконаного моделювання показано переваги пбридного методу демодулящ!' перед традищй-ними feedforward та feedback алгоритмами. Дода-тковою перевагою запропонованого методу е також можливють ушфжащ!' шдспстемп демодулящ!' як для безперервного, так й пакетного режпм!в передач!, зокрема при демодулящ!' TDMA сигнал!в.
Рис. 6. Функциональна схема методу пбридно!' спн-хрошзацп'
References
[1] Kim T. and Min Aided Feedforward Low-Rate Sampling Letters, Vol. 22,
M. (2018) Improved Non-Data-Symbol Timing Estimator for Systems. IEEE Communications Iss. 5, pp. 1010-1013. DOI:
10.1109/lcomm.2018.2812728
18
Kruhlvk О. S., Калюжный О. Я., Симонов В. Ю.
[2] Oappmair W., Plimon К., Ebort .1. and Borgmann M. (2018) Joint rocovory of carrior froquoncy and symbol timing for oxtromoly bandwidth-officiont satellite links. JET Communications, Vol. 12, Iss. 1, pp. 44-51. DOl: 10.1049/iet-com.2017.0186
[3] Wu Z„ Zhang Y„ Jiang L. and Jian S. (2015) Novol proamblo-aidod symbol timing ostimation for burst communication. 2015 JEEE International Conference on Communication Software and Networks (1CCSN). DOl: 10.1109/iccsn.2015.7296158
[4] Moyr H., Moonoclaoy M. and Fochtol S.A. (2001) Digital Communication Receivers: Synchronization, Channel Estimation, and Signal Processing. DOl: 10.1002/0471200573
[5] Mongali U. and D:Androa A.N. (1997) Synchronization Techniques for Digital Receivers. DOl: 10.1007/978-14899-1807-9
[6] Middlostoad R.W. (2017) Digital Communications with Emphasis on Data Modems. DOl: 10.1002/9781119011866
[71 Oardnor F. (1986) A BPSK/QPSK Timing-Error Dotoctor for Sampled Rocoivors. IEEE Transactions on Communications, Vol. 34, Iss. 5, pp. 423-429. DOl: 10.1109/tcom. 1986.1096561
Эффективная демодуляция QPSK сигналов в каналах с неблагоприятными условиями радиоприема
Круглых О. С., Калюжный А. Я., Семенов В. Ю.
Статья посвящена проблеме приема сигналов с фазовой манипуляцией в каналах с неблагоприятными условиями передачи. Проведен анализ существующих решений и рассмотрен гибридный метод демодуляции сигналов, который объединяет алгоритмы прямого оценивания параметров сигнала (feedforward) с последующей синхронизацией параметров в схемах с обратной связью (feedback алгоритмы). Проведено сравнительное моделирование известных традиционных методов демодуляции и гибридного метода па примере сигнала с квадратурной фазовой манипуляцией (QPSK). Полученные результаты подтверждают, что в условиях быстрого изменения параметров сигнала гибридный алгоритм обеспечивает минимальное значение битовой ошибки в зависимости от SNR по сравнению с традиционными методами.
Ключевые слова: демодуляция QPSK сигналов: неблагоприятные условия радиоприема: TDMA: частотные искажения
Efficient QPSK signal demodulation in channels with unfavorable conditions of radio reception
Kruhlyk O.S., Kaliuzhnyi O. Ya„, Sernenov V. Yu.
The main task of the receiver in digital communication systems is to provide a minimum bit error when transmitted data is received. Therefore, the quality of digital communication largely depends on the quality of demodulation of signals in general. In addition, in channels with unfavorable conditions of radio receiving, which are characterized by rapid change in signal parameters due to time and frequency Doppler spread, as well as unknown characteristics of the main transmission channel, there are situations where the most modems don't allow for high-quality receiving of the signal. Thus, increasing the efficiency of demodulation was and remains a relevant task for modern technology of radio receiving and signal processing. The article is devoted to the problem of signal reception with phase manipulation in channels with unfavorable transmission conditions, since in most modern digital communication systems, phase manipulation is the basis of the physical level of transmission. The existing solutions are analyzed and the method of hybrid signal demodulation is considered, which combines the algorithms of feedforward estimation of signal parameters with subsequent synchronization of parameters in feedback schemes. The initial estimates of the carrier frequency offset, phase, and time delay of the signal are calculated according to the known unique insertion and the obtained estimates are used when initializing the feedback circuits for instant entering into tracking mode. A comparative modeling of known traditional methods of demodulation and method of hybrid demodulation is done on an example of a signal with quadrature phase-shift, keying (QPSK). Consequently, the obtained results confirm that in the conditions of rapid change of signal parameters the hybrid algorithm provides the minimum value of bit error, depending on SNR, in comparison with traditional methods. The considered synchronization approach can also be used for signals with other types of phase manipulation. Moreover, the proposed hybrid combination of feedback and feedforward algorithms allowed the use of feedback algorithms for signals with packet data transmission.
Key words: QPSK signal demodulation: adverse radio reception conditions: TDMA: feedforward: feedback: ISI: frequency distortion
