CC BY
72
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
С.Н. Ляшенко,
начальник Департамента информационных технологий, связи и защиты информации МВД России
А.Н. Глушков,
кандидат технических наук
Е.С. Герасименко
синтез устройства обработки частотно-манипулированных радиосигналов на фоне помех и анализ его характеристик
the synthesis of the device for processing a frequency-shift keyed radio signals in background noise and analysis of its characteristics
Рассматриваются вопросы синтеза устройства обработки частотно-манипулированных радиосигналов с непрерывной фазой и минимальным частотным сдвигом, приводится анализ характеристик его работы.
The problems of the synthesis of the device for processing a frequency-shift keyed signals with continuous phase and the minimum frequency shift are considered, the analysis of the characteristics of his work is given.
Введение. Проблема обработки сигналов и создания помехоустойчивой связи актуальна в системах радиосвязи, используемых органами внутренних дел. Устойчивость к различным видам искажений, повышение быстродействия и другие аспекты важны при обнаружении и детектировании радиосигналов.
Помехоустойчивость устройств приема и обработки сигналов важна при поиске новых видов манипуляции радиосигналов, новых способов их приема и обработки.
Вопрос обработки частотно-манипулированных сигналов достаточно актуален в настоящее время, так как для обеспечения высоких показателей качества работы систем радиосвязи органов внутренних дел необходимо оптимизировать существующие параметры этих устройств.
Цель работы — разработка устройства эффективной обработки сигналов с частотной манипуляцией, обеспечивающего улучшение спектральных и корреляционных характеристик.
Основная часть. При обработке частотно-модулированных сигналов кроме помехоустойчивости важно анализировать форму огибающей радиосигналов. Решение этой задачи повышает её трудоемкость и может привести к увеличению стоимости разработки устройств обработки.
Поэтапно задачу эффективной обработки сигнала можно представить следующим образом:
- разработка эффективных процедур синтеза частотно-манипулированных сигналов;
- разработка процедуры синтеза кодовых последовательностей и коэффициентов весовых фильтров сжатия частотно-манипулированных сигналов;
- оптимизация формы огибающей для апериодических частотно-манипулированных сигналов;
- оценка влияния искажений в канале передачи информации на характеристики частотно-манипулированных сигналов;
- разработка эффективной реализации цифровой обработки частотно-манипулированных сигналов.
Также нужно оптимизировать минимаксные кодовые последовательности для частотно-манипулированных сигналов методом покоординатного спуска по комбинированному критерию приближения. Процедура синтеза частотно-манипулированных сигналов с заданными корреляционными и спектральными свойствами, такими как концентрация в определенной полосе частот помехи, позволит эффективно решить проблему обработки частотно-манипулированных сигналов.
В [1] рассмотрено устройство демодуляции двоичных сигналов с частотной манипуляцией (СРБ8К). При демодуляции цифровых сигналов вычитающее устройство (ВУ) в схеме такого устройства необходимо заменить на решающее устройство (РУ), как показано на рис. 1, которое сравнивает отклики амплитудных демодуляторов (АДМ1 и АДМ2) в моменты прихода тактовых синхроимпульсов (ТСИ). Решающее устройство производит сравнение ¿1 и ¿2 или разности ъ с нулем:
г = ¿2 - ¿1. (1)
Демодулятор т-позиционных частотно-манипулированных сигналов на базе амплитудных демодуляторов АДМ может быть реализован в соответствии со структурной схемой на рис. 2, а.
Каждый АДМк (к = 1, т) имеет собственную частоту квантования /т т , равную
/кв к = 4/0 к , (2)
где /ок — частота к-й позиции частотно-манипулированного сигнала. Отклики амплитудных
демодуляторов ¿^, к = 1, т, по тактовым синхроимпульсам (ТСИ) поступают в решающее устройство (РУ), которое по максимуму откликов формирует коды (номера частот) принятых символов V .
Для бинарных частотно-манипулированных сигналов с непрерывной фазой (СРБ8К) при условии, что длительность символа Т = N • Т, разность частот двоичных посылок / — / равна
/2 —/ = 2Д/ = А. (3)
Рис. 1. Структурная схема устройства демодуляции цифровых сигналов
Рис. 2. Структурная схема демодулятора т-позиционных частотно-манипулированных сигналов на базе амплитудных демодуляторов
Частотная характеристика двоичного демодулятора, приведенная на рис. 1, по разностному отклику демодуляторов г2 — ^ с центральной частотой f = 10 МГц и N = 256 (А/ = 19,6 кГц) показана на рис. 3, где H(f) — коэффициент передачи демодулятора. Решение о принятом символе принимается по знаку величины г = — .
н(Л
600 400 200
О
-200 -400
N»2
\
_____,
\ '<0
ч
\ Лх
10
^МГц
Ш02 10.04 1006 1005
Рис. 3. Частотная характеристика двоичного демодулятора по разностному отклику демодуляторов г2 — с центральной частотой f = 10 МГц и N = 256 (А/ = 19,6 кГц)
Для четырехпозиционной частотной манипуляции (ЧМн) с непрерывной фазой m=4 структурная схема демодулятора показана на рис. 2, б. Частоты символов /,/2,/ъ, выбираются с постоянным шагом (3) симметрично относительно центральной частоты /0 . Отклики амплитудных демодуляторов вычитаются,
| ^2 = ^2 — ^ (4)
и по знакам разностей в решающем устройстве принимаются решения о принятой частотной позиции. Для частот символов сигналов с CPFSK получим
/2 /1 /э /2 /4 /э •
(5)
На рис. 4 показаны частотные характеристики каналов 21 (сплошная линия), 22 (пунктир), 23 (штрихпунктирная линия) и 24 (точечная линия) для схемы рис. 2, б при /0=10 МГц и N = 256 .
600
400
300
0
7\ / \ т \ * 1 л 4 щ N=256
! / 1 / / \ ;» » 1 Ч V / \ \
/х \ * -Л " Л У?- \ ; Ч-Л о.
953 ■ 10
9 93 10
9.96 10
1 10
1 004 Ш
1.00® -10
1.012-10
'.Гц ,г
Рис. 4. Частотные характеристики каналов
Частотные характеристики Н12(/) и Н34(/) разностей 212 и 234 показаны на рис. 5 при тех же параметрах, что и на рис. 3. Видно, что при наличии одного из сигналов с частотами /, /, / или /4 реакция других каналов равна нулю.
н12Ш,н34(0
600 400 200 О -200 -400
-600' 9.92
/ n¿2 н34с0 -л
v ч
/
9.94
9.96
9.9В
10
10.02 10.04 10.06
^МГц
10.03
Рис. 5. Частотные характеристики Нх2(/) и Н34(/) разностей 212 и 2.
Как видно, частотные характеристики соседних каналов сильно перекрываются, но значения откликов на центральных частотах не равны нулю только для одного из каналов.
На рис. 6 представлены нормированные результаты имитационного моделирования демодулятора сигнала с бинарной СРБ8К при /0 = 10 МГц, N = 256, Т = N ■ Т0 = 25,6 мкс (У=Э9,1 кбод), А/ = 19,5 кГц (3). Его АЧХ показана на рис. 3. Пунктиром показан модулирующий сигнал, а точками — моменты принятия решения по импульсам тактовой синхронизации.
Рис. 6. Нормированные результаты имитационного моделирования демодулятора частотно-манипулированного сигнала
Как видно, рассмотренный демодулятор сигналов с СРБ8К выделяет принимаемые информационные символы с максимальной эффективностью.
Однако такие быстрые алгоритмы демодуляции имеют неудовлетворительные частотные характеристики для сигналов с минимальным частотным сдвигом (М8К и GMSK) при величине А/ равной
А/ = (6)
4 N
пример показан на рис. 7.
т
ш
400
:оо о
-200 -400
v
к \
\ у ро чу
v Л
>.« Ш 9 Р5 1С 10.02 10.01 10.06 10.0»
^МГц
Рис. 7. Частотные характеристики для сигналов с минимальным частотным сдвигом (М8К и
GMSK) при величине А/, равной А/ = ■
/о
4 N
Таким образом, условие (6) при Т = N • Т приводит к сильному перекрытию частотных
характеристик амплитудных демодуляторов в схеме на рис. 1, что затрудняет разделение сигналов различных частотных посылок. Результаты имитационного моделирования демодулятора сигнала с бинарной М8К, аналогичные показанным на рис. 6, представлены на рис. 8. Как видно, при условии (6) резко (в 2,75 раза) падает амплитуда отклика демодулятора, что приведет к потере его помехоустойчивости.
Рис. 8. Результаты имитационного моделирования демодулятора сигнала
с бинарной М8К
Демодуляцию сигнала с М8К и GMSK можно реализовать и при
А/ = А 2N
(7)
(как для сигналов с СРБ8К согласно (3)), если выбрать длительность информационного символа равной
N • Т
Т = ■
2
(8)
то есть в два раза меньше продолжительности N • Т0 обрабатываемой выборки отсчетов. При
этом в амплитудных демодуляторах накапливаются отсчеты от двух информационных символов и если символы одинаковы, то отклик становится максимальным, а если противоположны, то они взаимно компенсируются и отклик равен нулю.
Результаты имитационного моделирования демодулятора сигнала с бинарной М8К при условии (8), аналогичные показанным на рис. 6 и рис. 8, представлены на рис. 9. Как видно, при обработке противоположных информационных символов амплитуда отклика в два раза меньше, чем для одинаковых символов. Решения можно принимать со смещением во времени на величину Т согласно (8), связь моментов тактирования показана на рис. 9 отрезками прямых линий.
Рис. 9. Связь моментов тактирования
В целом необходимо констатировать, что рассматриваемое устройство частотной демодуляции не оптимально для сигналов с М8К и GMSK.
Результаты имитационного моделирования демодулятора четырехкратной частотной манипуляции (Б8К), структурная схема которого показана на рис. 2,б, для модулирующей
последовательности £и (п — номер символа) на рис. 10 представлены на рис. 11 при
длительности модулирующего сигнала, равной 2NT0 (в два раза больше минимального
/
значения) без шумов при / = 10 МГц, N = 256 и А/ = ^¡^ = 19,53 кГц.
11 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Эп 1 -3 1 1 1 3 3 -1 3 -3 -3 3 -3 3 1 -1 -1 -1 -1
Рис. 10. Модулирующая последовательность Бп
Рис. 11. Результаты имитационного моделирования демодулятора
Точками на рис. 11 отмечены моменты принятия решения о принятом символе, рядом приведены значения символов в соответствии с рис. 9 для выбранной кодировки частот. На рис. 11,а показана зависимость разности откликов амплитудных демодуляторов АДМ1 и АДМ2 (рис. 2,б) Х1п = г 2 — г1 (сплошная линия) и модулирующего сигнала £и, принимаются решения о том, что принятый символ равен -3 или -1. На рис. 11б показаны аналогичные зависимости для амплитудных демодуляторов АДМ3 и АДМ4, X2п = г4 — г3 и принимаются решения о том, что
принятый символ равен 1 или 3.
В моменты принятия решения о принятом символе в одном из каналов Х1п или Х2п в другом имеются нулевые значения отклика, что свидетельствует об ортогональности обрабатываемых сигналов. Наблюдается слабое взаимное проникновение откликов Х1 и Х2.
На рис. 12 показаны аналогичные зависимости при длительности модулирующего сигнала, равной NT0 (минимальное значение для бинарного сигнала CPFSK). Как видно, и в этом
случае обеспечивается оптимальная демодуляция четырехпозиционного сигнала с частотной манипуляцией.
Рис. 12. Зависимости разности откликов амплитудных демодуляторов
Выводы. Разработанное устройство частотной демодуляции для сигналов с минимальным частотным сдвигом (МБК и GMSK) показывает хорошие характеристики при
N ■ Т /
длительности информационного сигнала Т = —, однако не оптимально при А/ = ,
так как в связи с сильным перекрытием частотных характеристик амплитудных демодуляторов затрудняется разделение сигналов различных частотных посылок.
Оптимальная демодуляция четырехпозиционного сигнала с частотной манипуляцией при использовании предложенного устройства обеспечивается в случае, если длительность модулирующего сигнала равна NT0 (минимальное значение для бинарного сигнала СРББК).
ЛИТЕРАТУРА
1. Глушков А. Н., Сидоров А. В., Хохлов Н. С. Помехоустойчивость цифрового устройства демодуляции дискретных сигналов с частотной модуляцией // Вестник Воронежского института МВД России. — 2015. — №1. — С. 273—277.
2. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. — М. : Радио и связь, 2006. — 608 с.
3. Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов. - СПб. : БХВ-Петербург, 2011. - 768 с.
REFERENCES
1. Glushkov A. N., Sidorov A. V., Hohlov N. S. Pomehoustojchivost' cifrovogo ustrojstva demoduljacii diskretnyh signalov s chastotnoj moduljaciej // Vestnik Voronezhskogo instituta MVD Rossii. — 2015. — №1. — S. 273—277.
2. Gonorovskij I. S. Radiotehnicheskie cepi i signaly. — M. : Radio i svjaz', 2006. — 608 s.
3. Sergienko A. B. Cifrovaja obrabotka signalov. - SPb. : BHV-Peterburg, 2011. — 768 s.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Ляшенко Сергей Николаевич. Начальник Департамента информационных технологий, связи и защиты информации МВД России. E-mail: [email protected]
Россия, 119049, г. Москва, улица Житная, 16. Тел. (495) 667-73-13.
Глушков Алексей Николаевич. Доцент кафедры инфокоммуникационных систем и технологий. Кандидат технических наук.
Воронежский институт МВД России. E-mail: [email protected]
Россия, 394065, г. Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-31.
Герасименко Евгений Сергеевич. Адъюнкт кафедры инфокоммуникационных систем и технологий.
Воронежский институт МВД России. E-mail: [email protected]
Россия, 394065, г. Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-31.
Lyashenko Sergey Nikolaevich. Head of Department of information technologies, communications and information security of the Ministry of the Interior of Russia. E-mail: [email protected]
Work address: Russia, 119049, Moscow, Zhitnaya Str. , 16. Tel. (495) 667-73-13.
Glushkov Alexey 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. E-mail: [email protected]
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-31.
Gerasimenko Evgeniy Sergeevich. Post-graduate cadet of the chair of Communication Systems and Technologies.
Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia. E-mail: [email protected]
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-31.
Ключевые слова: частотная манипуляция; цифровая двоичная модуляция; цифровая обработка сигнала; устройство обработки сигнала.
Key words: frequency shift keying; binary digital modulation; digital signal processing; signal processing
device.
УДК 621.391
