Формирование и обработка сигналов с амплитудным уплотнением в системах цифровой радиосвязи Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Доклады БГУИР

2011 №4 (58)

УДК 621.396.96

ФОРМИРОВАНИЕ И ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ С АМПЛИТУДНЫМ УПЛОТНЕНИЕМ В СИСТЕМАХ ЦИФРОВОЙ РАДИОСВЯЗИ

В.А. ЧЕРДЫНЦЕВ, А.В. МАРТИНОВИЧ, ИИ. СКИБ

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь

Поступила в редакцию 12 апреля 2011

Рассмотрен способ формирования сигналов с амплитудно-кодовым уплотнением. Приведены алгоритмы и функциональная схема устройства обработки сигналов с амплитудно-кодовым уплотнением.

Ключевые слова: амплитудно-кодовое уплотнение, адаптивный нелинейный безынерционный преобразователь, различение сигналов, канал обработки сигнала.

Возможность уплотнения сигналов была впервые доказана в 1935 году Агеевым Д.В. в работе «Основы теории линейной селекции», в которой были определены основы линейного разделения сигналов. В общем виде схема уплотнения сигналов включает блок уплотнения, в котором N входных сигналов X\(t), X2(t),..., XN(t) преобразуются в один сигнал Y(t), канал связи и блок восстановления на приемной стороне исходных сигналов. Существует несколько методов уплотнения сигналов, основанных на использовании таких параметров, как время, частота, форма сигнала, амплитуда. Задача уплотнения сводится к присвоению каждому каналу связи соответствующего параметра из указанного набора с учетом минимизации влияния взаимных помех и максимального использования ресурса передающей среды.

Развитие цифровой и вычислительной техники привело к возможности создания систем передачи информации на основе алгоритмов нелинейного разделения сигналов. Для реализации таких алгоритмов можно использовать амплитуду сигнала в качестве основного ресурса уплотнения информационных потоков.

В работе [1] описан способ амплитудного уплотнения аналоговых сигналов на основе прямого и обратного диофантова преобразования и предложен вариант практической реализации.

В настоящей работе предлагается способ формирования и обработки сигналов с амплитудным уплотнением, используемых для передачи дискретных сообщений и обладающих повышенной помехозащищенностью, которая достигается за счет параллельно-составной структуры сигнала и псевдослучайной коммутации входных последовательностей. Приводится функциональная схема устройства обработки такого сигнала.

Цель статьи: определить алгоритмы для построения систем передачи дискретных сообщений с применением сигналов с амплитудно-кодовым уплотнением, обладающих повышенной помехозащищенностью.

Формирование и обработка сигналов с амплитудно-кодовым уплотнением

Определим условия формирования и обработки группового сигнала (сигнала с амплитудным уплотнением) для N бинарных потоков.

Если для суммарного потока XA N бинарных потоков выполняется условие

1.Х.1 >£ \а.Х. I, М < N -1,

] ] | '' I' '

1=1

то

X. = Sign

£( а.Х1)

X 1 = sign

£( а.Х1)- аХ]

и т.д.

Таким образом

Хт = ^

£( а.Х1 )-£( аХ])

]=т+1

т е [1, N ].

(2)

С учетом (2) на рис. 1 приведена упрощенная схема формирования сигнала с амплитудно-кодовым уплотнением (АКУ). В схеме используются следующие обозначения: БКК - блок коммутации каналов, ГТЧ - генератор тактовой частоты, ГКП - генератор кодовой последовательности, ГПСП - генератор псевдослучайной последовательности, ФГС - формирователь группового сигнала, ФВ - фазовращатель, ГНЧ - генератор несущей частоты, КАФМ - квадратурный амплитудно-фазовый модулятор.

!

ГКП

ГПСП

Рис. 1. Схема формирования сигнала с АКУ

Схема формирования сигнала с АКУ работает следующим образом. Двоичные информационные последовательности Хь Х2,..., Х^/ поступают в БКК, выполняющий роль шифратора, соединяя входные и выходные линии, согласно последовательности с ГКП. С выхода БКК кодовые последовательности Х^Хю.,.--, Хш поступают на сумматор через умножители на соответствующие весовые коэффициенты, которые удовлетворяют условию (1). На выходе сумматора формируется групповой видеосигнал с амплитудно-кодовым уплотнением. Групповой сигнал ХА и псевдослучайная последовательность (ПСП) g(t) поступают на КАФМ. ПСП обеспечивает синхронизацию схемы обработки сигнала с АКУ. Сформированный сигнал в общем виде представляется выражением:

^, X, G) = А1ХА со8(ю,/ + ф^)) + А2g(t) 8т(ю,/ + ф^)),

n

где А1 и А2 - амплитуды компонент сигнала; ХА = £ а.Х. .

(3)

На рис.2. приведен пример формирования сигнала с АКУ для 3-х информационных потоков (а, б, в - информационные сообщения Х^), Х2(0, Х3(0, г, д - групповой сигнал ХА при от-

1=1

1=1

1=1

1=1

сутствии и наличии коммутации каналов, е - результирующий сигнал S■(t, X, G)). В данном случае при формировании группового сигнала весовые коэффициенты отличаются друг от друга на величину, кратную 2, т.е. а1=а2/2=а3/4, а частота коммутации принята равной тактовой частоте информационной последовательности. 1

а О -1 1

б О -1 1

е О -1 10

г 0

-10 10

д о

-10 10

г 0 -10

0 5 10 15 20 25

Рис. 2. Формирование сигнала с амплитудно-кодовым уплотнением

Алгоритм выделения информационных последовательностей, описанный выражением (2), реализуется с помощью схемы обработки сигнала с АКУ, представленной на рис. 3. На вход блока обработки поступает сигнал sx(t, X, G). В квадратурном демодуляторе (КДМ) выделяются две составляющие сигнала (3) - групповой сигнал ХА и псевдослучайная последовательность (ПСП) g (0. Групповой сигнал поступает на адаптивный безынерционный нелинейный преобразователь (АБНП) и блок коммутации каналов (БКК), где происходит выделение информационных последовательностей Х1 , Х2 ,..., Хы . Последовательность g (0 поступает на генератор ПСП, синхронизирующий работу ГКП и БКК.

Схема адаптивного безынерционного нелинейного преобразователя приведена для случая аг/аг-_1 = 2, принцип работы которого основан на выделении более сильной информационной последовательности и последующего исключения ее из канала обработки.

Наблюдаемый процесс г(0 на входе приемника представляется в виде суммы сигнала sx(t, X, G) и помехи п(^).

Для обеспечения устойчивости к действию импульсных помех применяют сигналы с параллельно-составной структурой (ПСС) [2]. В таком случае схема формирователя (см. рис. 1) изменится не существенно. Схема формирователя сигнала с АКУ и ПСС приведена на рис. 4. На схеме используются следующие обозначения: ФГС - формирователь группового сигнала, ГФУ - генератор функций Уолша, ГКП - генератор кодовой последовательности, ГТЧ - генератор тактовой частоты, ГПСП - генератор ПСП, ГНЧ - генератор несущей частоты, БФСС -блок формирования составного сигнала.

Рис. 3. Схема обработки сигнала с амплитудно-кодовым уплотнением Г"

Рис. 4. Схема формирования сигнала с АКУ и ПСС

Рассматривая сумму гауссовского шума n(t) с известной средней мощностью о2 и ам-плитудно-фазоманипулированного сигнала ^(t, X, G) можно определить алгоритм обработки наблюдаемого процесса r(t). Для построения схемы устройства приема и обработки сигнала используем оптимальное правило выделения составного сигнала ХС из смеси r(t).

Оценки ХС , т, (cos в) , (sin в) определяются максимумом функции правдоподобия.

* N

Xc = E

k

Jck (cosß) - Jsk (sin ß)

* 1 N Г * *

1 =—E ёК Jsk ( C0S ß) + Jck (Sin ß)

N k L

* 1 N г / *\

(cosß) =т;Х Jcksi§n(Xk)+J

N kL v 7

skgE

* 1 N г / *\

( Sin ß) = N E\_JckgE- Jsk sign (Xk )

Приведенные выражения позволяют реализовать квадратурную обработку входного сигнала г(0 для выделения сигнала ХС(0. Реализация алгоритма показана на упрощенной функциональной схеме на рис. 5.

На схеме обозначены: ГС - генератор несущего колебания сигнала s(t), Инт - интегратор со сбросом на длительность тЭ элемента ПСП, ГПСП - генератор ПСП, £-н - сумматор-накопитель со сбросом на длительность элемента Т составного сигнала Хс, ТФ - трансверсаль-ный фильтр, РУ - решающее устройство, РСОС - регистр сдвига с обратными связями, БОСС -блок обработки составного сигнала[2], ДК - декодер, включающий генератор кодовой последовательности (ГКП) и блок коммутации каналов (БКК), выполняющие восстановление исходных информационных потоков Х1, Х2,..., Хлт.

сброс I

r(t)

X Инт X -

ГС

сброс I

Инт

ГПСП

ТФ

ТФ

sign

О

сброс

1-М

X©

РУ

X

АБНП

V \ V

БОСС

V \ г — у

ДК

П П-1 РСОС 1

Дешифратор

ГТЧ

ТФ

УЛЗ

Рис. 5. Схема обработки сигнала с АКУ и ПСС

Временные диаграммы процессов в характерных точках схемы обработки, представленной на рис. 5, для случая применения трех информационных потоков получены путем моделирования алгоритма в среде МайаЬ и приведены на рис. 6 (а - групповой сигнал, сформированный для трех бинарных потоков на передающей стороне, б, в - осциллограммы в точках 1 и 2, соответствующие оценкам фпР) и (cosP) , г, д - сигнал на входе (точка 3) и на выходе (точка 4) решающего устройства, е - осциллограмма в контрольной точке 5).

Осциллограммы в точках 1 и 2 получены для времени накопления на трансверсальных фильтрах, в десять раз превышающем длительность информационного символа составного

сигнала ХС(0. Видно, что через N тактов процессы фпР) и (cosP) становятся стационарными. На диаграмме рис.6, е представлен результат отработки схемой рассогласования по задержке на +т-,/3 и -тэ/4 во время моделирования в моменты времени /м = 7 и /\| = 1 1.5 соответственно. 10

U.......i........1........J........J........J . ■ ■ ■ __........^^TLХХн.... ■ ■ ■ J........1........ ...j........;......... ........\.......- ~^........

-.......1........1........1........H........1- ■ ■ ■ ■ ■ ■ 1........1......... Η ........H.......-

у-.......1........1........J........1........1 ■ ■ ■ ■ ........J........J........i.......-

1—i_i ■ 1— -.......1........1........1........H........1---- ........1........1........H.......-I

Рис. 6. Диаграммы процессов в контрольных точках

а

б

в

г

д

е

Заключение

Приведен алгоритм формирования и обработки сигнала с АКУ. Представлена схема обработки такого сигнала, отличительной особенностью которой является совместная демодуляция и синхронизация сигнала с АКУ.

Результаты численного моделирования подтвердили работоспособность алгоритма обработки сигнала с АКУ. Схема инвариантна к начальной фазе в и задержке ±тЭ/2 сигнала ((, Х, О).

Следует отметить, что при частоте коммутации, превосходящей частоту исходного информационного потока, происходит расширение спектра результирующего сигнала с АКУ. За счет синхронизации генератора кодовой последовательности на приемной стороне и дешифрации осуществляется свертка спектров информационных потоков до уровня исходного с требуемым отношением сигнал/шум.

FORMATION AND PROCESSING OF AMPLITUDE MULTIPLEXING SIGNALS IN DIGITAL RADIOCOMMUNICATIONS

V A. CHERDYNTSEV, A.V. MARTSINOVICH, I.I. SKIB

Abstract

The way of formation of amplitude multiplexing signals is considered. The algorithm and functional diagram of processing device are resulted.

Литература

1. Мазуров М.Е. // Патент на изобретение РФ № 94003861.

2. Чердынцев В.А., Варвашеня А.В. // Инженерный вестник. 2005. №1(20) С. 69-73.