Устройство автоматического определения модуляционных параметров и характеристик ofdm-сигналов

 

Полезная модель относится к устройствам приема сигналов, а именно к устройствам автоматического приема сигналов с неизвестными модуляционными характеристиками и может быть использована в стационарных и мобильных средствах связи и радиоконтроля. Положительными техническими эффектами использования устройства являются: повышение точности определения временных характеристик OFDM-сигналов за счет учета сдвига сигнала по частоте, определяемого в устройстве определения частотного сдвига (8.3), а также за счет определения модуляционных характеристик на повышенной частоте дискретизации; повышение точности определения частотных характеристик за счет взятия спектра нескольких интервалов ортогональности с последующим усреднением значений гармоник; повышение вероятности определения модуляционных характеристик OFDM-сигналов за счет использования блока контроля модуляционных характеристик (9.4). 6 ил.

Полезная модель относится к устройствам приема сигналов, а именно к устройствам автоматического приема сигналов с неизвестными модуляционными характеристиками, и может быть использована в стационарных и мобильных средствах связи и радиоконтроля.

В настоящее время в системах связи все более активно применяются сигналы, сформированные путем манипуляции ортогональных поднесущих (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Данная технология в настоящее время рассматривается как одна из наиболее перспективных для построения этих систем.

Существуют системы связи, основанные на передаче и приеме сигналов с OFDM [1, 2], в которых предполагается, что приемнику уже известны параметры сигнала, необходимые для его обработки.

Основным недостатком указанных систем является невозможность корректного приема сигналов с априорно неизвестными параметрами. На практике особенности канала передачи данных и влияние помех различного рода (многолучевое распространение, замирания) могут существенно изменить временные и частотные параметры передаваемого сигнала, что снижает вероятность его корректной обработки.

В способе приема сигналов цифрового телевидения [3] для определения модуляционных характеристик используются особенности построения сигнально-кодовых конструкций системы телевещания для определения априорно неизвестных параметров сигналов для правильной настройки приемника и корректной обработки сигнала.

Недостатком способа является функциональное ограничение приема и обработки сигналов только системы цифрового телевещания DVB-T(T2).

Известен способ [4] автоматического оценивания параметров радиосигналов с OFDM, для осуществления которого необходимы коррелятор и преобразователь частоты дискретизации.

На вход коррелятора поступают цифровые отчеты OFDM-сигнала. Далее цифровые отсчеты OFDM-сигнала передискретизируют с использованием сплайн-интерполяции, определяют временные параметры, такие как длительность интервала ортогональности и бодовая скорость на основе ВКФ двух участков сигнала, затем для определения частотных характеристик (а именно - разноса частот, числа и позиций поднесущих частот) вычисляют спектр одного элемента ортогональности, взятого 100 раз, после чего сигнал вторично передискретизируют и строят сигнальное созвездие.

Недостатками прототипа являются невысокая точность определения модуляционных характеристик по причине отсутствия учета сдвига сигнала по частоте в канале передачи данных, а также двукратная передискретизация сигнала, которая вносит межблочную интерференцию и тем самым снижает эффективность использования спектральных методов определения параметров OFDM-сигналов. К тому же, многократное взятие спектра одного и того же интервала ортогональности ведет к накоплению дополнительной систематической ошибки в определении частотных параметров сигнала.

Цель полезной модели состоит в повышении точности определения модуляционных характеристик OFDM-сигналов.

Поставленная цель достигается за счет того, что прототип, содержащий коррелятор и преобразователь частоты дискретизации, дополнительно включает приемный тракт, аналоговый выход которого соединен с АЦП, выход F2 которого подключен к входу DDC, соединенного с преобразователем Гильберта, выход которого подключен к сигнальному входу блока обнаружения сигнала и сигнальным входам S коррелятора, блока определения частотных характеристик и блока определения временных характеристик; информационный выход F1 АЦП подключен к информационным входам D1 блока определения частотных характеристик и блока определения временных характеристик; выход обнаружителя сигнала подключен к управляющему входу E коррелятора, выход F1 которого подключен к информационным входам D2 блока определения частотных характеристик и блока определения временных характеристик, а к управляющим входам Е этих блоков подключен выход F2 коррелятора; выходы F1Fn+3 блока определения частотных характеристик и выходы F1F4 блока определения временных характеристик соответственно подключены к информационным входам D1DN блока хранения модуляционных характеристик, информационный выход F1 которого подключен к входу D блока передискретизации сигнала, к сигнальному входу S которого подключен выход DDC; информационные выходы F1FN блока хранения модуляционных характеристик соответственно подключены к входам D1DN блока оконечной обработки сигнала; к управляющим входам E блока передискретизации сигнала и блока оконечной обработки сигнала подключен выход E блока хранения модуляционных характеристик, сигнальный выход которого подключен к входу S блока оконечной обработки сигнала.

На прилагаемых чертежах показано: фиг.1 - структурная схема устройства автоматического определения модуляционных характеристик OFDM-сигналов; фиг.2 - структурная схема блока определения частотных характеристик; фиг.3 - структурная схема блока определения частотных характеристик; фиг.4 - структурная схема блока хранения модуляционных характеристик; фиг.5 - структура OFDM-символа; фиг.6 - графическое изображение результата вычисления разностей xk.

Устройство содержит приемный тракт 1, аналоговый выход которого соединен с АЦП 2. Выход F 2 АЦП 2 подключен к входу DDC 3, соединенного с преобразователем Гильберта 4, выход которого подключен к сигнальным входам S блока обнаружения сигнала 5, коррелятора 6, блока определения частотных характеристик 7 и блока определения временных характеристик 8.

Информационный выход F1 АЦП 2 подключен к информационным входам D1 блока 7 и блока 8.

Выход обнаружителя сигнала 5 подключен к управляющему входу E коррелятора 6, выход F1 которого подключен к информационным входам D2 блока 7 и блока 8, а к управляющим входам E этих блоков подключен выход F2 коррелятора 6.

Выходы F1F5 блока 8 и выходы F1Fn+2 блока 7 соответственно подключены к информационным входам D1DN блока хранения модуляционных характеристик 9, информационный выход F1 которого подключен к входу D блока передискретизации данных 10, к сигнальному входу S которого подключен выход DDC 3. Информационные выходы F1FN блока 9 соответственно подключены к входам D1DN блока оконечной обработки сигнала 11. К управляющим входам E блока 10 и блока 11 подключен выход E блока 9. Сигнальный выход блока 9 подключен к входу S блока оконечной обработки сигнала 11.

Блок определения частотных характеристик 7 (фиг.2) содержит: устройство выборки сигнала 7.1, к информационным входам которого подключены вход D2 блока 7 и ячейка памяти 7.2, которая содержит значение количества интервалов ортогональности, выбраных для усреднения; выход устройства 7.1 подключен к входу D2 устройства быстрого преобразования Фурье 7.3, к информационному входу D1 которого подключен вход D 2 блока 7; устройство быстрого преобразования Фурье 7.3, последовательно соединенное с блоком усреднения значений гармоник 7.4 и блоком считывания значений гармоник с максимальной амплитудой 7.5, при этом к входу D0 блока 7.4 подключена ячейка памяти 7.2; элемент деления 7.6, к входам которого подключены входы D1 и D2 блока 7; устройство определения частоты дискретизации 7.7, к входам которого подключены входы D1 и D2 блока 7 и выход F1 блока 7.5. Выходы F1Fn+3 блока 7 образованы соответственно выходом устройства 7.7, элемента 7.6 и выходами F1Fn+1 блока 7.5, при этом выход F1 - содержит значение частоты дискретизации, F2 - содержит значение разноса частот, F3 - содержит количество поднесущих, F4Fn+3 - содержит значения поднесущих.

Блок определения временных характеристик 8 (фиг.3) содержит: элемент задержки 8.1, к информационному входу которого подключен вход D2, а к сигнальному - вход S блока 8; умножитель 8.2 выходного сигнала элемента задержки 8.1 и устройства определения частотного сдвига 8.3, к входам которого подключен вход 8 блока 8 и выход элемента задержки сигнала 8.1; элемент разности 8.4, на вход «+» которого подключен вход 8 блока 8, а на вход «-» подключен выход умножителя 8.2; устройство определения аргумента максимума взаимно-корреляционной функции 8.5 сигнала с выхода элемента 8.4; элемент разности 8.6, на вход «+» которого подключен выход устройства 8.5, а на вход «-» подключен вход D2 блока 8; элемент деления 8.7 на входы которого подключен выход элемента 8.6 и вход D 1 блока 8; элемент деления 8.8 к входам которого подключены вход D2 блока 8, выход элемента 8.6, выход устройства 8.5 и вход D1 блока 8. Выходы F1F4 блока 8 образованы выходом элемента 8.7 и соответствующими выходами элемента 8.8, при этом выход F 1 - значение бодовой скорости B, F2 - длительность интервала ортогональности Tорт, F3 - длительность защитного интервала Tзи, F4 - длительность символа Tсимв (фиг.5).

Блок хранения модуляционных характеристик 9 (фиг.4) содержит: матрицу входных ячеек памяти 9.1 размером Nx1, которые соответственно подключены к информационным входам прямоугольной матрицы размером NxM ячеек памяти 9.2, где N - общее количество временных и модуляционных характеристик OFDM-сигнала, M - количество определенных модуляционных характеристик OFDM-сигналов, и к устройству построчного сравнения 9.3 значений ячеек памяти 9.1 со значениями, записанными в ячейках памяти 9.2; выход A1 устройства 9.3 подключен к управляющему входу матрицы ячеек памяти 9.2; выход A2 устройства 9.3 подключен к управляющему входу блока контроля модуляционных характеристик 9.4, к информационных входам D1DN которого соответственно подключены выходы F1FN блока 9.3; выход F блока 9.4 и выход A 3 устройства 9.3 подключены к входам схемы ИЛИ 9.5. Информационные выходы блока 9 F1FN образованы соответствующими выходами блока 9.3, а выход E является выходом схемы ИЛИ 9.5.

Устройство функционирует следующим образом.

Аналоговый радиосигнал с выхода приемного тракта 1 поступает на вход АЦП 2, в котором оцифровывается и поступает в DDC 3, который производит понижение частоты цифрового сигнала.

Далее сигнал поступает на вход преобразователя Гильберта, который формирует на выходе дискретный комплексный сигнал, поступающий в обнаружитель сигнала 5.

В простейшем случае в обнаружителе сигнала 5 производится выборочная оценка отношения сигнал-шум (ОСШ) на интервале анализа. При превышении выборочным отношением сигнал-шум заданного порога принимается решение о наличие сигнала источника радиоизлучения (ИРИ). В этом случае на выходе обнаружителя сигнала 5 формируется сигнал тревоги обнаружителя, который включает коррелятор 6.

Коррелятор 6 вычисляет аргумент к, соответствующий максимальному значению автокорреляционной функции цифровой реализации сигнала {x1, x2 , , xm}; k соответствует длительности интервала ортогональности в отчетах сигнала Nорт.

В момент когда автокорреляционная функция принимает максимальное значение, коррелятор 6 включает блок определения временных характеристик 8 и блок определения частотных характеристик 7 и передает им значение k.

Элемент 7.6 считывает значения информационных входов D1 и D2 и определяет их отношение, соответствующую разносу частот:

.

Для определения числа n и позиций поднесущих Fi, осуществляется:

формирование блоком выборки сигнала 7.1 W цифровых реализаций сигнала длиной Nорт отсчетов (значение W сохранено в ячейке памяти 7.2), поступающих в устройство быстрого преобразования Фурье 7.3, которое для каждого интервала ортогональности выполняет БПФ размером Nорт и передает на каждом такте значения гармоник на информационные входы D1Df блока 7.4;

усреднение значений гармоник в блоке 7.4 по W выборкам;

определение в блоке 7.5 числа и значений частот гармоник с максимальной амплитудой.

Устройство 7.7 определяет значение требуемой частоты дискретизации OFDM-сигнала по следующему соотношению:

Одновременно блок определения временных характеристик 8 для вычисления длительности символа Nсимв производит вычисление разности в элементе 8.4 между отсчетами исходного сигнала и отсчетами этого же сигнала, сдвинутыми по времени на величину Nорт, и умноженного в элементе 8.2 на выходное значение устройства 8.3, соответствующее значению комплексного коэффициента , отвечающего за поправку сдвига по частоте, обусловленного искажениями сигнала в канале связи и неточностью настройки приемного тракта:

,

где xk - k-й отчет исходного сигнала.

В устройстве 8.5 определяется аргумент автокорреляционной функции разности, который соответствует максимальному ее значению, и принимается за длительность символа:

Длительность защитного интервала N ЗИ вычисляется в элементе 8.6 как разность длительности символа Nсимв (значение на выходе элемента 8.5) и длительности интервала ортогональности Nорт (значение входа D2 блока 8).

Элемент 8.7 определяет бодовую скорость B как отношение значения выхода элемента 8.5 к значению информационного входа D1 блока 8:

Значения длительности интервала ортогональности, длительности защитного интервала и длительности символа в количестве цифровых отсчетов сигнала в блоке 8.8 делятся на значение частоты дискретизации, а на выходах блока 8.8 считываются длительности соответствующих интервалов в секундах.

Модуляционные характеристики, полученные в блоке 7 и блоке 8, поступают на соответствующие информационные входы D1DN блока 9 и сохраняются в соответствующих ячейках памяти 9.1.

Устройство построчного сравнения 9.3 считывает значения N ячеек памяти 9.1 и значения выходов F 1FN матрицы 9.2, которые на первом такте считывают значение первого столбца матрицы ячеек памяти 9.2. Устройство 9.3 производит сравнение значений на входах D1DN и Q1QN. Если значения не равны, то на выходе A 1 формируется управляющий импульс, который производит сдвиг считываемого столбца матрицы ячеек памяти 9.2. Такты повторяются до тех пор, пока входные значения устройства 9.3 не будут равны, при этом на выходе A2 формируется управляющий импульс, который проходит через схему ИЛИ 9.5 и активирует блок передискретизации 10 и блок оконечной обработки сигнала 11. Блок передискретизации 10 считывает значение частоты дискретизации сигнала с выхода F1 блока 9 и выполняет передискретизацию сигнала, поступающего на вход S, который далее передается на сигнальный вход S блока оконечной обработки сигнала 11, с информационных входов D1DN которого считывают значения модуляционных характеристик OFDM-сигнала и производят регистрацию, демодуляцию, экспресс-анализ и другие виды оконечной обработки сигнала.

Если значения последнего считанного столбца матрицы ячеек памяти 9.2 не равны значениям соответствующих ячеек памяти 9.1, тогда на выходе A2 вырабатывается управляющий импульс, который включает устройство контроля модуляционных характеристик 9.4, которое оценивает значения модуляционных характеристик, поступающих на информационные входы D1DN на предмет соответствия их классу модуляционных характеристик OFDM-сигналов по следующим соотношениям:

- значения поднесущих частот Fi должны отстоять друг от друга на значение разноса частот;

- разность между верхней и нижней частотой должна быть кратна величине обратно пропорциональной длительности интервала ортогональности;

- длительность защитного интервала должна составлять 1/16, 1/8 или 1/4 от длительности символа;

- совокупная длительность одного сигнального символа должна быть равна сумме длительности защитного интервала и длительности интервала ортогональности (фиг.6).

Если значения принадлежат классу OFDM-сигналов, тогда на выходе F формируется управляющий импульс, под воздействием которого в матрице ячеек памяти записывается новая строка, значения которой соответствуют значениям ячеек памяти 9.1. Кроме того, управляющий сигнал с выхода F проходит через схему ИЛИ 9.5, поступает на выход E блока 9 и активирует блок 10 и блок 11.

Вычисление в цифровой части устройства производится на большей частоте дискретизации сигнала, чем необходимая частота дискретизации, приблизительно - 4Fнеобх, что позволяет повысить точность определения временных параметров ODFM-сигналов.

Техническую реализацию цифровой части устройства предлагается осуществить на базе промышленной ЭВМ. Аналого-цифровое преобразование в АЦП 2, перенос частоты в DDC 3 и передискретизация сигналов в БПД 10 предлагается осуществлять с использованием специализированных устройств сбора данных, включенных в состав промышленной ЭВМ. Блок оконечной обработки сигнала 11 предлагается реализовать на базе бытовой (офисной) персональной ЭВМ. Кроме того блоки 4, 5, 6, 7, 8 и 9 можно реализовать на ПЛИС.

Положительными техническими эффектами использования устройства являются:

повышение точности определения временных характеристик ODFM-сигналов за счет учета сдвига сигнала по частоте;

повышение точности определения частотных характеристик за счет взятия спектра нескольких интервалов ортогональности с последующим усреднением значений гармоник;

повышение вероятности определения модуляционных характеристик OFDM-сигналов за счет использования блока контроля модуляционных характеристик 9.4.

Совокупность полезных технических эффектов позволяет обеспечить надежное определение модуляционных характеристик вновь проявившихся OFDM-сигналов в условиях отсутствия априорной информации о них.

Литература:

1. Патент РФ 2221330, Широкополосная система радиосвязи КВ-диапазона, МПК H04B 1/10, 2004 г., авторы: Бокк О.Ф. и др, патентообладатель ФГУП «Воронежский НИИ связи», (аналог)

2. Патент РФ 2454816, Устройство для передачи ОРБМ-сигнала и устройство для приема OFDM-сигнала, H04L 27/26, 2012 г., авторы: Мики Нобухико, Абэта Садаюки, патентообладатель НТТ ДоСоМо, Инк. (аналог)

3. Патент РФ 2450472, Синхронизация символов ОРБМ с использованием преамбулы со смещенными по частоте префиксом и суффиксом для приемника DVR-T2, H04L 27/26, 2012 г., авторы: Тупала Миика Сакари и др., патентообладатель Нокиа Корпорейшн, (аналог)

4. Сауков А.М. и др. Оценивание параметров радиосигналов с ортогональным частотным мультиплексированием в условиях априорной неопределенности. Наукоемкие технологии, 8, 2011, с.10-13. (прототип)

Устройство автоматического определения модуляционных характеристик OFDM-сигналов, содержащее коррелятор и преобразователь частоты дискретизации, отличающееся тем, что дополнительно содержит приемный тракт, аналоговый выход которого соединен с АЦП, выход F 2 которого подключен к входу DDC, соединенного с преобразователем Гильберта, выход которого подключен к сигнальному входу блока обнаружения сигнала и сигнальным входам S коррелятора, блока определения частотных характеристик и блока определения временных характеристик; информационный выход F1 АЦП подключен к информационным входам D1 блока определения частотных характеристик и блока определения временных характеристик; выход обнаружителя сигнала подключен к управляющему входу коррелятора, выход F1 которого подключен к информационным входам D2 блока определения частотных характеристик и блока определения временных характеристик, а к управляющим входам этих блоков подключен выход F2 коррелятора; выходы F1Fn+3 блока определения частотных характеристик и выходы F1F4 блока определения временных характеристик соответственно подключены к информационным входам D1DN блока хранения модуляционных характеристик, информационный выход F1 которого подключен к входу D блока передискретизации сигнала, к сигнальному входу S которого подключен выход DDC; информационные выходы F1FN блока хранения модуляционных характеристик соответственно подключены к входам D1DN блока оконечной обработки сигнала; к управляющим входам блока передискретизации сигнала и блока оконечной обработки сигнала подключен выход блока хранения модуляционных характеристик, сигнальный выход которого подключен к входу S блока оконечной обработки сигнала.



 

Наверх