Спосіб цифрової обробки біспектрально-організованих сигналів

Реферат: Спосіб цифрової обробки біспектрально-організованих сигналів належить до технологій цифрового радіозв'язку. Спосіб включає оцифрування триплету прийнятого сигналу, розрахунки та аналіз його біспектра, при цьому формують сигнал гетеродина у вигляді тричастотного триплету, і триплет прийнятого сигналу гетеродинують в триплет сигналу проміжних частот так, що кожну складову триплету прийнятого сигналу перетворюють відповідною складовою триплету сигналу гетеродина. Технічним результатом є зменшення об'єму оперативної пам'яті і швидкодії процесора, необхідних для оцифрування триплету прийнятого сигналу, розрахунків та аналізу його біспектра. UA 111550 C2 (12) UA 111550 C2 UA 111550 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до технологій цифрового радіозв'язку, а саме до способів обробки біспектрально-організованих сигналів в цифрових системах радіозв'язку. Відомі способи передачі, прийому і обробки цифрових даних в системах радіозв'язку, що використовують біспектрально-організовані сигнали [Солодовник В.Ф., Кравчук А.С., Науменко В.В., Тоцкий А.В. Методы и устройства генерации сигналов-триплет для биспектральноорганизованной модуляции, Радиотехника: науч.-техн. сб. ХНУРЭ. - Вып. 168. - X., 2012. - С. 5667] та [Спосіб передачі даних. Патент України № 98232, 25.04.2012, Бюл. № 8]. Відомі також способи обробки сигналів з попередніми перенесенням спектра високочастотних сигналів в низькочастотну область за допомогою гетеродинування [Моршович M.E. Полупроводниковые преобразователи частоты (Основы теории и расчета) - Л., 1974. - 336 с]. Найбільш близьким рішенням за призначенням, технічною суттю та результатом, що досягається, вибраним як прототип, є відомий спосіб цифрової обробки біспектральноорганізованих сигналів [Спосіб передачі даних. Патент України № 98232, 25.04.2012, Бюл. № 8], що включає оцифрування триплету прийнятого сигналу, розрахунки та аналіз його біспектра. При цьому реалізована процедура виявлення сигналу на фоні шуму шляхом оцінювання статистики третього порядку у вигляді пікового значення оцінки амплітудного біспектра, прийнятого в суміші з шумом каналу зв'язку біспектрально-організованого триплету сигналу. Завадостійкість у відомому способі досягається за рахунок використання властивостей біспектра - Фур'є перетворення моментної функції третього порядку сигналу-триплету. Метод біспектрального оцінювання дозволяє виявити такі залежності і властивості, які неможливо визначити використовуючи класичні статистики другого порядку - кореляційну функцію і спектральну щільність. До переваг методу біспектральної обробки сигналів відносяться можливість виявлення та оцінювання фазових і частотних взаємозв'язків спектральних компонент, висока завадостійкість відносно адитивного гаусова шуму і інваріантність до випадкових затримок сигналу. Ці переваги лежать в основі відомого способу передачі даних в двійковому коді, коли інформацію при передачі повідомлення закладають не у вигляді класичних змін амплітуди, частоти або фази несучої, а у вигляді двох ортогональних частотних триплетів (трійок частот) таких, що одна з частот в кожному триплеті дорівнює сумі двох інших. Процес демодуляції у прототипі зводиться до вирішення двоальтернативної задачі виявлення триплету на фоні шуму каналу зв'язку і розрізнення сигналів-триплетів. Правило прийняття рішення полягає в оцінці максимуму модуля біспектра (біамплітуди) у двовимірному частотному просторі. Недоліком способу-аналога та способу-прототипу є те, що при оцифруванні прийнятого сигналу, розрахунках та аналізі його біспектра на високих несучих частотах потребується великий обсяг оперативної пам'яті і швидкодія процесора. Спроба усунення цього недоліку традиційним гетеродинуванням біспектрально-організованих триплет прийнятих сигналів за допомогою їх змішування з одночастотним коливанням гетеродина фіксованої частоти не представляється можливою, тому що при цьому порушуються частотні зв'язку складових біспектрально-організованого триплету прийнятого сигналу і відбувається спотворення його біспектра. Задача запропонованого винаходу полягає в зменшенні об'єму оперативної пам'яті і швидкодії процесора, необхідних для оцифрування триплету прийнятого сигналу, розрахунків та аналізу його біспектра. Поставлена задача вирішується тим, що в запропонованому способі цифрової обробки біспектрально-організованих сигналів, що включає оцифрування триплету прийнятого сигналу, розрахунки та аналіз його біспектра, згідно з винаходом, формують сигнал гетеродина у вигляді тричастотного триплету, і триплет прийнятого сигналу гетеродинують в триплет сигналу проміжних частот так, що кожну складову триплету прийнятого сигналу перетворюють відповідною складовою триплету сигналу гетеродина. Істотні ознаки запропонованого способу: - формують сигнал гетеродина у вигляді тричастотного триплету; - триплет прийнятого сигналу гетеродинують в триплет сигналу проміжних частот так, що кожну складову триплету прийнятого сигналу перетворюють відповідною складовою триплету сигналу гетеродина. Формують сигнал гетеродина у вигляді тричастотного триплету і триплет прийнятого сигналу гетеродинують в триплет сигналу проміжних частот так, що кожну складову триплету прийнятого сигналу перетворюють відповідною складовою триплету сигналу гетеродина, що забезпечує зменшення необхідних для оцифрування, розрахунків та аналізу біспектра триплету прийнятого сигналу обсягу оперативної пам'яті і швидкодії процесора в порівнянні зі способомпрототипом. 1 UA 111550 C2 5 10 15 На кресленнях зображено: Фіг. 1 - Ймовірності бітової помилки при впливі гаусової завади. Фіг. 2 - Схема пристрою для гетеродинування сигналу-триплету. На фіг. 2: блоки 1-9 - смугові фільтри; 10-12 - змішувачі; 13 - гетеродин; 14 - суматор. На входи фільтрів 1-3 надходить триплет прийнятого сигналу f1, f2 і f3=f1±f2 а на виходах цих фільтрів відфільтровуються одночастотні коливання частот f1, f2 і f3=f1±f2 відповідно. На входи фільтрів 4-6 надходить сформований гетеродином 13 триплет сигналу гетеродина fг1, fг2 і fг3=fг1±fг2, а на виходах цих фільтрів відфільтровуються одночастотні коливання частот fг1, fг2 і fг3=fг1±fг2, відповідно. На входи фільтрів 7-9 надходять спектри вихідних сигналів змішувачів 1012, що містять коливання проміжних частот fпч1, fпч2 і fпч3=fпч1±fпч2, а на виходах цих фільтрів відфільтровуються одночастотні коливання цих частот, відповідно. Коливання проміжних частот fпч1, fпч2 і fпч3=fпч1±fпч2 підсумовуються на суматорі 14, в результаті чого на виході суматора 14 формується триплет fпч1, fпч2 і fпч3=fпч1±fпч2 сигналу проміжних частот. Запропонований спосіб здійснюється наступним чином. У способі-прототипі передача даних здійснюється за допомогою частотної маніпуляції біспектрально-організованого триплету тричастотного коливання на частотах f1, f2 і на сумарній або різницевій f3=f1±f2 частоті. Триплети s0(t) і s1(t) при двоїчному форматі передачі даних, відповідають логічному "0" і логічній "1", уявімо як: 3 s0 t   A 0  cos2f0k t  0k  k 1 , (1а) 3 20 25 30 35 s1t   A 0  cos2f1k t  1k  k 1 , (1б) дe f03=f01±f02; f13=f11±f12. На фіг. 1 наведені розрахункові залежності ймовірності появи помилкового біта (BER) від відношення сигнал/завада (E0/N0) на вході демодулятора. Дані залежності отримані при 10 виявленні тестового повідомлення, що містить потік з 2 бітів, при класичному способі частотної маніпуляції (FSK) з використанням одно частотного сигналу (крива +-+-+) і при пропонованому способі біспектрально-організованої модуляції (крива о-о-о) в умовах впливу адитивного гаусова шуму. Частоти біспектрально-організованих триплет (1а) і (1б): f01=500 Гц, f02=900 Гц, f03=400 Гц, f11=700 Гц, f12=1100 Гц, f13=400 Гц. -3 З фіг. 1 випливає, що ймовірність помилки BER=10 розпізнавання символів тестового повідомлення забезпечується при відношеннях сигнал/завада E0/N0=12 дБ і E0/N0=3 дБ для частотної маніпуляції одно частотним сигналом (FSK) і біспектрально-організованої маніпуляції (БОМ) відповідно. Таким чином, виграш в завадостійкості при використанні БОМ порівняно з FSK становить 9 дБ по величині відношення сигнал/завада при ймовірності бітової помилки -3 BER=10 . Аналогові сигнали оцифровують, задаючи дискретні значення сигналу у часовій і частотній областях з інтервалами Δt і Δf, відповідно рівними 1 2 maxf1, f2 , f3  , (2) 1 f  Tb , (3) t  40 де Тb - тривалість біта даних. Тривалість біта для біспектрально-організованого триплету сигналу визначаємо як Tb  1 GND f1, f2 , f3  , (4) де GND - найбільший спільний дільник. Мінімальна кількість відліків в частотній області дорівнює N 45 maxf1, f2 , f3  f . (5) Таким чином, чим вище частоти f1, f2 f3 біспектрально-організованого сигналу і чим менше Δf тим більша кількість відліків N потрібна для формування цифрового сигналу. При цьому збільшуються часові витрати або потрібно застосовувати більш продуктивні обчислювальні засоби (табл. 1). 2 UA 111550 C2 Таблиця 1 Частоти триплетів f1=400 Гц f2=700 Гц f3=1100 Гц f1=5567015 Гц f2=6504802 Гц f3=12071817 Гц 5 10 15 Тривалість біта Крок по Tb, с Δf, Гц частоті Приблизний час Мінімальна розрахунку спектра кількість відліків, (на ПК 2,11 GGz, RAM N 3GB), с -7 0,01 100 11 3,3*10 1 1 12071817 3,9 Розрахунки біспектра на радіочастотах ДВЧ і УВЧ діапазонів (більше 300 МГц) викликають ще більші часові витрати або вимагають великих об'ємів оперативної пам'яті і швидкодії процесору. Усунути цей недолік неможливо за допомогою традиційного гетеродинування біспектрально-організованих триплет сигналів з частотами f1, f2 і f3=f1±f2 за допомогою змішування їх з коливанням гетеродина однієї фіксованої частоти fг. В результаті такого перетворення на проміжних частотах fпч1=f1-fг, fпч2=f2-fг, fпч3=f3-fг порушуються частотні зв'язки складових біспектрально-організованого триплету, оскільки fпч3=f1±f2-fг=fпч1±f2≠fпч1± fпч2, гак як ±f2≠ ±fпч2. Таким чином, біспектр сигналу проміжних частот буде відрізнятися від біспектра прийнятого сигналу частот f1, f2 і f3=f1±f2. Біспектрально-організовані сигнали можна перенести в область менших частот запропонованим способом, якщо сформувати сигнал гетеродина у вигляді тричастотного триплету і триплет прийнятого сигналу гетеродинувати в триплет сигналу проміжних частот так, що кожну складову триплету прийнятого сигналу перетворювати відповідною складовою триплету сигналу гетеродина (див. табл. 2). Таблиця 2 Назва триплету Сигнальний Гетеродинний Проміжний 20 25 Частоти триплету f2 f3=f1±f2 fг2 fг3=fг1±fг2 fпч2=f2-fг2 fпч3=f3-fг3=(f1-fг1)±(f2-fг2)=fпч1±fпч2 f1 fг1 fпч1=f1-fг1 При цьому на проміжних частотах не порушуються частотні зв'язки, необхідні для обробки біспектрально-організованих сигналів, так як fпч3=fпч1±fпч2. Перенесення спектра біспектрально-організованого сигналу ВЧ діапазону (частот 5…7 МГц) на низькі частоти вище розглянутого випадку (див. фіг. 1) показаний, наприклад, в табл. 3 і табл. 4. Таблиця 3 Назва триплету Сигнальний Гетеродинний Проміжний Частоти f1, f2 и f3=f2-f1 триплету при "Data=0", Гц 5000500 6200900 5000000 6200000 500 900 1200400 1200000 400 Таблица 4 Назва триплету Сигнальний Гетеродинний Проміжний Частоти f1, f2 и f3=f2-f1 триплету при "Data=1", Гц 5000700 6201100 5000000 6200000 700 1100 3 1200400 1200000 400 UA 111550 C2 5 10 15 Гетеродинувати триплет прийнятого сигналу відповідно до пропонованого способу можна, наприклад, за допомогою пристрою, схема якого показана на фіг. 2. Сформувати триплет сигналу гетеродина з частотами fг1, fг2 і fг3=fг2±fг1 можна різними пристроями, наприклад трьома автогенераторами або синтезаторами частоти, а також одним багаточастотним кварцовим генератором [Многочастотные кварцевые генераторы / А.А. Зеленский, В.Ф. Солодовник, В.А. Шевелев. - Учеб. пособие по курсовому и дипломному проектированию - X.: Нац. аэрокосм, ун-т "Харьк. авиац. ин-т", 1999. - 137 с.]. Таким чином, якщо в обробки біспектрально-організованих сигналів, що включає оцифрування триплету прийнятого сигналу, розрахунки та аналіз його біспектра, формують сигнал гетеродина у вигляді тричастотного триплету, і триплет прийнятого сигналу гетеродинують в триплет сигналу проміжних частот так, що кожну складову триплету прийнятого сигналу перетворюють відповідною складовою триплету сигналу гетеродина, то стає можливим зменшення необхідних для оцифрування, розрахунків та аналізу біспектра триплету прийнятого сигналу об'єму оперативної пам'яті і швидкодії процесора і, отже буде забезпечено зниження вартості обладнання, витрат часу і споживаної енергії. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 Спосіб цифрової обробки біспектрально-організованих сигналів, що включає оцифрування триплету прийнятого сигналу, розрахунки та аналіз його біспектра, який відрізняється тим, що формують сигнал гетеродина у вигляді тричастотного триплету, та триплет прийнятого сигналу гетеродинують так, що кожну складову триплету прийнятого сигналу перетворюють відповідною складовою триплету сигналу гетеродина в триплет сигналу проміжних частот. 4 UA 111550 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5