CC BY
74
УДК 621 376 б
11РОЦ L jjy РА иЬИАРУЖШИИ СИ1 MAJ А МРИ РЬАЛИЗАЦИИ M ОДНИ А
ГТ И Fly ihijjt-K, Г A 1/iKhMJioK, А В R'iH Kix Омский государственный технический университет, с. Омск, Россия
Лнномшцня — Пик;шн кычаг.mie.(ьни-.-ффгкi ииньш способ иысхрши оонлрх женин im нала MIL-STD 188 НОС App. С по прсаяоулс. Произведен сыоор оптимального порога обнаружителя. Выбраны xi и на согласованного фильтра п размер банка фильтров по критериям допустимого частотного отклонения И ТОЧНОСТИ НПГГТЛНПКЛеНПЯ ПШВОЛЬНОЙ СПНТрОНИЯЛЦНСТ. ТТрП)№Н»ШР гпгллгоялннпго фильтра нл урезанное до 30 символов сннхрослово. позволяет сократить количество фильтров в банке с 12 до 3. эко-нимя i»i самым нл операциях «\muuavhiu! с ujxuiLWHueM» до 20 ри*. Также сиимн1ние исиольдоыание автокорреляционного детектора позволяет снизить вероятность ложного обнаружения ло 2-х порядков: Ptoise ~ 5.8с 8 для модифицированной схсмы против Р^ы - 1.8с б для нсмоднфнцнроваппон при доухлуче кок! ригм]ШГ1рлненни при ши же керим i hih i h iipniix ck:i (TiHvpor.iiiK.i.
Ключееые слова: обнаружение сигнала, восстановление символьной синхронизации. частотный сдвиг.
I. Вык'.книь
Стандарт цифровой связи MX-STD-188-1 ЮС описывает несколько протоколов передачи цифровых данных в средневолновом н коротковолновом диапазоне для тактической и дольней связи [1]. В приложении «С» представлены требования к последовательному модему со скоростью 2400 бод в полосеголосовсго канала 3 кГц. Исиользуемам мидулнцих 8PSK, 16QAM. 32QAM и 64QAM. Информационные .хоросги с данными лшами моду лятш н помехоустойчивым кодированием составляют 3200. 480С. 64Ü0. 8U0'J и 96(Ю бят/с. а также 12800 без кодирования.
Структура плкгтл гигнллл MTT.-S I 13-1 ЯЯ-1 ЮС Арр С прс.гктлклгнл нл риг 1 Прглмбупл Г ГЧ" TP ИТ ич гилпю-лов 3PSK и включает в себя две часта. Первая часть содержит от 0 до 7 ¿леков по 184 символа, предназначенных для нормализации уровня в тракте приема (АРУ). Блоки для первой части получаются путем комплекс носе-пряженного преобразования блока второй части. Вторая часть состоит вз 287 символов к включает в себя блок го 181 симзолов (сипхрословс) для синхронизации и вычисления доилеровекого сдвига (SP), а также блок Hi 103 снмьо.оь (ЕЫР). коюрыи неси в себе информацию о скорое in .кгреддчи данных н HacipoiLvcvx. исрсме-жшеля [2]
Задача обнаружения сигнала заключается в установлении факта прие\летзня сигнала и первичной символьной и кллрикпй синхронизации, iicK-jir Н1)1»::(м к palxriy кг гу мани ;qivi иг о.тки обри(х*гки и .к-ьпдирпклния снгнялп.
Большинство способов восстановления несущей (фазовой синхронизации) работают только в случае, когда
скмко:тт.ч,?* .-инхргнкчлтптч уже рлЬотлгг 'Го -жг елтлог хяелгтея ялтеритмок ^тужунии !hn огенлчлгт, что rmt-вольиал яскрошгзаюш должна быть установлена при палтгиш пеопределешюсти по частоте и шгтероереегшш [3].
Слгныг* гиосоПм коспиноклгнич гичмшьной си HxjKtHH <шии г обратной с:кихкю имгкн ;ioria шчно (äuihinir
время вхождения в синхронизм. поэтому не подходят для первоначальной сннхроензапнн. Наиболее Ьыстрымк яеляются способы восстановления символьной синхронизации по нзвестнон преамбу ле f4"|.
Заголовок псрксн^малынэй сннчроищдц «н - IS" символов
Бл-ж данных - 256 символов
VIhiih-i |.tOa • 31 uimuoji uubiupiii'uci uvm иклофаякни '«Oí •Jjp.-ivbn-Ynlliun'vpci o б ¡»ИЪЮЭПОЗ
IkiKinp i'i »ciuk.ixcni>i i iciMtriii чсрп о. пииюжы?
проигжугки -103 гимкиа
Рис 1 CijiynyjBi никгra
Обнаружение сигнала с одновременных! восстановлением первичной символьной сннхроннзашш можно осуществить корреляционным способом. Сигнал пропускается через согласованный фильтр, настроенный на известную преамбулу, на выходе которого стоит пороговое устройство. Если сигнал на выходе СФ превышает порог, то считается, что сигнал обнаружен Далее определяется максимум сигнала, по которому- восстапавлива ется пеоБ1гч:юя симзольпал синхронизация. После восстановления перыгчион символьной синхронизация включается следящая схема синхронизации.
Однако при наличии частотной неопределенности необходимо ставить банк согласованных фильтров, каждый из ксторых настроен на свою частоту. При этом чем длиннее последовательность, на которую настроен согласованный фк.1ыр. icm выше веройшоль коурскшлс обнаружения сигнала и ючнию восстановления символьной с иихр они г а ш-: и Однако с увеличением длины последовательности также уменьшается; допустимый частотный сдвиг, при котором одиночный согласованный фильтр работает. Соответственно, необходимо увеличивать количество согласованных фнльтрсв в банке фильтров.
В данной статье рассматривается вопрос выбора длины последсвателыюстн и количество согласованиях фильтров в банке, а также структура обнаружителя в целом, при наличии неизвестного частотного сдвига [дс-илсровского сдвига). Согласно стандарту MIL-STD-ISS-l ЮС. допустимый доплсровскнн сдвиг составляет 75
Рягсмо-рим более подробнг вторую чагтт, преамбулы включаюлг/ю гикхрпелово 5Р и б.тп* КЯТР Нпрми-рованная автокорреляционная функция сннхрослова $Р представлена на рис. 2а. По рисунку видно, что последовательность. на основе которой построено сннхрослово. имеет очень хорошие корреляционные свойства. Таким образом, вероятность обнаружения данного сннхрослова в шуме высока. Однако встает вопрос, как шме нтстся корреляционная характеристика сннхрослова при сдвиге частоты. Также необходимо оценгаь, насколько рссурсозатротно будет построить оонаруэчитсль. не чувствительный к сдвигу частоты
Гц.
ТТ ПЛСАНОЯКА ЗА.1АЧИ
' N
0.3
О 2
i ы1 iii isi ->111 ,ы .-flll ,-ы
Часшта. Гц
t/Ts
С*")
Рис ? Норми]к)киннии АКФ гинх]н1слокг1 SP (//) н зависимость амплитуды пика нормированной АКФ SP от сдвига частоты (б)
На рис. 26 представлена ¿ависимссть амплитуды инка нормированной АКФ SP от сдвига частоты. По рис. 26 видно, что первый минимум располагается в районе 13 Гц. Из этого можно сделать вывод о том, что согласование фильтры в греоеике доллспы быть разнесены по частоте с интервалом 1Ü ц. Таким образом. па весь диапазон 150 Гц (допустимое отклонение-75 Гц согласно стандарту) необходимо 12 согласованных фильтроз.
Произведем опенку количества оаераикй умножения с накоплением и секунду нуи реализации хребгнки согласованных фильтров
\LiC=SRxSrSxLer.xM,
где Ml С-количество операций умножение с пакоплепнем в секунду. SR - символьная скорость. SPS —количе стбо выборок на символ. Leu количество коэффициентов в согласованном фильтре. М количество согласо-
нинныи фи.1к1]ч)к к «ргогнкг
Таким образом, получается. что обнаружитель на гребенке из 12 согласованных фильтров, настроенных на последовательность S? длиной 184 символа, н SPS=S потребует:
MAC = ?400*Я*!84х7? = 4?,?9.í 600fr.
Для сигнальных процессоров средней производительности, например TMS320C5510. гребенка согласованных фильтров займет порядка 10% ресурсов. Для ARM Ccrtex-M4 микроконтроллеров пропелура обнаружения может занять порядка ?.0-30% R случае если количество процессов в DSP несколько помимо процедуры обнаружения. то может возникнуть ситуация нехватки производительности.
Рассмотрим способы уменьшения вычислительной сложности обнаружителя синхрослоаа MIL STD 188 HOC Арр.С
Ш. Теория
1. Созласозанный фильтр на урезанное синхрослово
Данная идея уменьшения вычислительной сложности реализации обпаружителя заключается в том. что со глясованный фильтр настраивается не на всю длину сннхрослова. алгапь на се часть. Свойства сннхрослоза таково. что острый пик АКФ сохраняется при урезании сннхрослоза. При этом неважно, какую часть сннхрослова брглн наняло, ¡тргдину или конгц
На рис. За представлена нормированная АКФ урезанной части сннхрослова SP длиной 30 символов (с 155 по 184 символ).
43 БЗ СО
Vacuna. Гц
133
(а)
(5)
Рис. 3. Нормированная АКФ урезанного сннхрослова £30 символов) (а) и зависимость амплитуды лика АКФ от частотной отстройки (б)
На Рис. 3G црсдставлена зависимость амшшгуды дика АКФ от часюшои отстройки. По рисунку видно, что для диапазона 150 Гц достаточно уже гребенки из 3-х согласованных фильтров
Произведем оценку количества операции умножения с пакоплепнем о секунду при реализации обнаружите ля на 3-х согласованных фильтрах.
MAC = 2400x8*30*3 = 1 72S 000/с.
Сог.мгно рагчпам чышрмш но ироькнодчм-лы-кч'! и пхчиклмп порядка 34рал
Однако, как будет показано далее з опнсаннн результатов моделирования, короткая последовательность имеет достаточно высокую вероятность ложного срабатывания.
2. Оннпружмниа пктишцпжянциичкы и t:rn>t:o(.n »•
Блок RRI? содержит в себе две последовательности Фракка-Ханмнллера длннойН. повернутые на 90 градусов. Вторая последовательность отстает от первой на И снмзсла Таким образом, при автокорреляционном 1фИГМГ Г ЧаД-|1АКОЙ ИИ Щ>ГМИ 77-Х ГИМКОЖЖ (рИГ 4) НиГиНОД.ЧГКЯ Klippf.l ЯЦН01-НК1Н ПИК KKI (К1ННЫЙ Л.кумч последовательностями Франка-Хаймклтера (рис. 5).
ConvcIJcr
r¿
ж —» Í М
Abs
Cefay
Рис. 4.Автокорреляционный приемник
08 ¡0,
02
Г Í
JJUU
ztLL
ÍULU 4Уи_
vis
tUJU
ььии
Рис. 5 Отклик автокорреляционного преемника на последовательности Франка Хаймнллера
Достоинства автокорреляционного обнаружителя заключаются в том. что он требует мало вычислительных ресурсов и нечувствителен к слЕигу частоты сигнала.
К недостаткам можно отнести тс. что отклик на выходе автокорреляционного приемника не имеет острого гоша. Следовательно, данный сигнал :1ельзя использовать для первичной символьною синхронизации.
П'ЛРЕДЧОЖЕНИЕ НОВОЙ СТРУКТУРЫ ОБНАРУЖИТЕЛЯ
В дашюй работе предлагается объединить деклчмшетва обоих способов обнаружения. Автокорреляционный способ обеспечивает стабильность обнаружения наличия сннхрэслоеа при нестабильности частоты несушей и многолучевом распространении. Обнаружитель на банке корреляторов при этом обеспечивает требуемое разрешение по времени для першгтсой символьной синхронизации. Согласованные фильтры настроены на урезан нос скнхрослово(30 символов). Предложенная структура обнаружителя представлена на рис. 6.
На рнс. 7-10 представлены осциллограммы в различных точках разработанного обнаружителя. На рнс. 7 и 8 представлен сигнал с выхода автокорреляционного детектора до н после порогового устройства соответственно Н* риг 9 нргдпиклгн гии<а.1 ни кыходг* однош гошж пнинжио филыри Пинки Ни рис- 10 нрг-дпикпгн :"И1 нил на выходе согласованного фильтра, определенный только на интервале. на котором сигнал автокорреляционного детектора выше порогового значения. Далее на этом интервале выбирается максимальное значение среди кггх 1И1 пилок анлжчииннмк фгикпхж Пяньн и определят к нндгке маи нмуии. по которому огущгпнляпги
перЕпчная символьная синхронизация.
Произведем оценку эффективности обнаружения предложенной структурой обнаружителя и сравним ее с эффективностью обнаружения немоднфнцнрованным банком корреляторов.
Моделирование проводилось для двух случаев: однолучевого и двухлучевого распространения. Сиг-нал'шум. равныйЕЬКо = 6 дБ. был выбран на тех соображений, что при меньшем отношения с'ш уже нет необходимости обнаруживать сигнал, т.к в любом случае не будет уверенного приема 8-РЬК сигнала. Для ЕЬФ1о=6 дБ н 8-РЭК модуляции вероятность ошибки составит Ре = 0.02. Сдвиг частоты сигнала равен половине разности частот, на которые настроены соседние корреляторы, что является наихудшим случаем.
Сигнал перед поступлением на обнаружитель нормируется до единичной мощности. Так как нормализация сигнала происходит по групповому сигналу, имитируя тем самым работу АРУ. то при двухлучевом распространении мощность одного луча на входе обнаружителя уменьшается Это приводит к тому, что увеличивается вероятность пропуска синхрослова. Так, на рис. 11 представлены плотности распределения вероятности для синхрослова (Р?) и случайных данных (Рс1) для обнаружителя только на банке согласованных фильтров По рис. 11а видно, что в случае однолучевого распространения оптимальным является порог Ь:-0.6. В случае двухлуче-вого распространения (рис. 116) оптимальный порог будет Ь=0.52. при этом вероятность пропу ска синхрослова будет значительно выше, чем при однолучевом распространении.
0"
■и
v 1q
10"4 ----
! v / \ 1 \ / \ J
> \ 1 \ i \
t \ t 1
0.2
U 4 ü U
Ачгтшпула (я)
0.0
IM in; im
Амплитуда
(б)
Рис. 11. Плотности вероятности при однолучевом (а) н двухлучевом распространен™ (б)
V. Результаты численного эксперимента Вероятность пропуска синхрослова для обоих видов рассматриваемых обнаружителей одинакова и составляет рр1:.:. = 8.бе-6 при однолучевом распространении и рра,:. = 1.4е-5 при двухлучевом соответственно. Однако вероятность ложного обнару жения для предложенной структуры обнаружителя меньше более чем на два порядка и составляет РШ5Е. = з.Ее-8 при двухлучевом распространении, против РМ1е = 1.8е-6 для обнаружителя на банке согласованных фильтров. Прн однолучевом распространении выигрыш по вероятности ложного обнаружения уже не столь большой и составляет рм,г = Е.Зе-8 для предложенного обнаружителя и ры;4 = 4.2е-Е обнаружителя на банке согласованных фильтров
vi. выводы и заключение Предложенная структура обнаружителя является эффективной с точки прения вычислительных затрат на обработку в ЦСП или ПЛИС. Выигрыш по сравнению с оптимальным обнаружителем на 12 согласованных фильтрах для полной последовательности составит порядка 20 раз. Прн этом обеспечиваются достаточно низкие вероятности пропуски синхрослова и ложного обнаружения. При отношении сигнал/шум ЕЬЛ\о=6 дБ предложенный обнаружитель позволяет добиться уверенного обнаружения сигнала, достаточного хля практического применения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. MIL-SID-188-1 ЮС. Military Standard. Interoperability and. Performance Standards for Data Modems 23 SEPTEMBER. 2011.
2. Ямпольскин А. А.. Дунаев А С., Семашко А. В. Алгоритм текущей оценки занятости канала сигналами MIL-STD-188-110 // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 2.
3. Proakis John. Digital Communications McGraw-Hill. 1995. Inc.
4. Shave stell M. G.. Aruindavar H. Multi user detection iu CDMA system using neural network approach И International standard of Electronic? and communications. 2004. 54. P. 215-235.
Koulakiotis, A. H. Aglivami "'Data detection techniques for DS/CDMA mobile systems: A review". IEEE Pers. Сопшшп.. 7:24-34,2000
