Инвариантная система передачи информации по каналам с переменными параметрами
Предлагаемая полезная модель относится к технике связи и может быть использовано в системах передачи информации для передачи многоуровневых амплитудно-модулированных сигналов по каналам с переменными параметрами. Инвариантная система передачи информации по каналам с переменными параметрами, содержащая когерентный детектор, имеющий синхронный детектор в которую введены анализатор сигнала, таймер, усилитель и спецвычислитель, а в когерентный детектор введены входное устройство и устройство фазовой автоподстройки частоты, при этом когерентный детектор соединен с анализатором сигнала, соединенным с таймером, который соединен со спецвычислителем, выход которого является выходом системы, а вход спецвычислителя соединен с выходом усилителя, вход которого соединен с когерентным детектором, в котором входное устройство одним из выходов соединено с синхронным детектором, а вторым выходом - с устройством фазовой автоподстройки частоты, выход которого соединен со вторым входом синхронного детектора. Предлагаемая полезная модель повышает помехоустойчивость при глубоких замираниях в канале связи.
Предлагаемая полезная модель относится к технике связи и может быть использовано в системах передачи информации для передачи многоуровневых амплитудно-модулированных сигналов по каналам с переменными параметрами.
Известна система передачи информации по каналам с переменными параметрами, основанная на использовании системы автоматической регулировки усиления сигнала [Радиоприемные устройства. Под редакцией Н.Н. Фомина. Москва, «Радио и связь», 1995 г.], содержащая (рис.9.8 стр.350) последовательно соединенные усилители с регулировкой усиления, первый их вход является входом всей системы, выход этих усилителей подключен ко входу детектора радиоимпульсов, выход которого подключен ко входу видеоусилителя, выход которого является выходом всей системы. Выход видеоусилителя подключен ко входу видеоусилителя в цепи обратной связи, который своим выходом подключен ко входу пикового детектора, выход которого подключен ко входу фильтра нижних частот, который своим выходом подключен ко входу усилителя постоянного тока, которые своими выходами подключены к соответствующим входам регулировки усиления усилителей с регулируемым усилением.
Однако указанная система имеет существенный недостаток, состоящий в том, что невозможно работать с многоуровневыми амплитудно-модулированными сигналами.
Известна система передачи информации по каналам с переменными параметрами, являющаяся прототипом, в которой эти недостатки устранены (Петрович Н.Т., Чуйко Э.А. Относительные методы передачи информации. Письменная лекция, Москва, ВЗЭИС, 1972 г.], содержащая когерентный детектор, состоящий из синхронного детектора, схемы устранения манипуляций, узкополосного активного или пассивного фильтра, также эта система содержит решающее устройство, схему сравнения и элемент памяти.
Вход детектора соединен со входом схемы устранения манипуляций, выход которой соединен со входом узкополосного фильтра, выход которого соединен со вторым входом детектора, выход которого соединен со входом решающего устройства, выход которого соединен с первым входом схемы сравнения и входом элемента памяти, выход которого соединен со входом схемы сравнения, выход которой служит выходом устройства.
Однако прототип при работе по каналам с глубокими замираниями имеет невысокую помехоустойчивость, потому, что не использует операцию накопления и усреднения сигналов, проходящих через элемент памяти.
Задачей данной полезной модели является повышение помехоустойчивости при глубоких замираниях в канале связи.
Поставленная задача достигается тем, что в инвариантную систему передачи информации по каналам с переменными параметрами, содержащую когерентный детектор, имеющий синхронный детектор введены анализатор сигнала, таймер, усилитель и спецвычислитель, а в когерентный детектор введены входное устройство и устройство фазовой автоподстройки частоты. При этом когерентный детектор соединен с анализатором сигнала, соединенным с таймером, который соединен со спецвычислителем, выход которого является выходом системы, а вход спецвычислителя соединен с выходом усилителя, вход которого соединен с когерентным детектором, в котором входное устройство одним из выходов соединено с синхронным детектором, а вторым выходом с устройством фазовой автоподстройки частоты, выход которого соединен со вторым входом синхронного детектора.
На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемой системы, а на фиг.2 приведены показатели помехоустойчивости предлагаемой системы.
Предлагаемая система (фиг.1) содержит: 1 - когерентный детектор, 2 - усилитель, 3 - спецвычислитель, 4 - анализатор сигнала, 5 - таймер.
Когерентный детектор 1 содержит входное устройство 6, синхронный детектор 7, устройство фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) 8.
В предлагаемой системе когерентный детектор 1, усилитель 2 и спецвычислитель 3 соединены последовательно. Выход когерентного детектора 1 соединен со входом анализатора сигнала 4, выход которого соединен со входом таймера 5, выход которого соединен со вторым входом спецвычислителя 3.
При этом вход входного устройства 6 является входом когерентного детектора 1, выход входного устройства 6 является входом синхронного детектора 7 и входом устройства фазовой автоподстройки частоты 8, выход которого соединен со вторым входом синхронного детектора 7, выход которого является выходом когерентного детектора 1.
Входное устройство 6 содержит полосовые фильтры [Смирнов В.А. Основы радиосвязи на ультракоротких волнах. М.: Связьиздат, 1957. - 819 с.], устройство фазовой автоподстройки частоты 8, состоящее из фазового детектора фильтра нижних частот, управляющего элемента, перестраиваемого генератора [Радиоприемные устройства. Под ред. проф. А.П.Жуковского. М.: «Высшая школа», 1989], синхронный детектор 7, состоящий из перемножителя и фильтра нижних частот [Радиоприемные устройства. Под ред. проф. А.П.Жуковского. М.: «Высшая школа», 1989].
Анализатор сигнала 4 состоит из детектора, фильтра нижних частот и схемы сравнения [Первачев С.В., Валуев А.А., Чиликин В.М. Статистическая динамика радиотехнических следящих систем. М.: Сов. радио, 1973. - 488 с.]
Спецвычислитель 3 состоит из аналого-цифрового преобразователя АЦП, арифметико-логического устройства АЛУ и внутреннего запоминающего устройства ВЗУ [Тарабарин Б.В. Интегральные микросхемы. Справочник. М.: «Радио и связь», 1985].
Конструктивное выполнение таймера известно: это, к примеру, 1006 ВИ1 [Тарабарин Б.В. Интегральные микросхемы. Справочник. М.: «Радио и связь», 1985].
Предлагаемое устройство работает следующим образом: на передаче сигнал сформирован таким образом, что после последовательности обучающих сигналов передается последовательность информационных сигналов. Длительность двух последовательностей соотносится как 1:2. На передаче отношение амплитуд огибающих информационного и обучающего сигналов равна постоянной заданной величине называемому инвариантом. Его величина определяется
где Sинф - амплитуда информационного сигнала;
Sоб - амплитуда обучающего сигнала;
INV - инвариант.
Из выражения (1) следует, что амплитуда информационного сигнала в INV раз больше амплитуды обучающего сигнала. В дальнейшем на приемной стороне в спецвычислителе 3 происходит обработка амплитуды информационного и обучающего сигналов.
Путем деления амплитуды принимаемого информационного сигнала на амплитуду принимаемого обучающего сигнала происходит в дальнейшем демодуляция принимаемого сигнала.
На принимаемый сигнал воздействует мультипликативная помеха. Действие такой помехи обуславливает изменение коэффициента передачи канала «К» на интервале стационарности последовательностей информационных и обучающих сигналов. Поэтому будет иметь место оценка инварианта:
где K·INV+
- величина огибающей информационного сигнала, испытавшего воздействие мультипликативной помехи и зашумленного аддитивной помехой:
K·Sоб+
- величина огибающей обучающего сигнала, испытавшего воздействие мультипликативной помехи и зашумленного аддитивной помехой;
К - коэффициент передачи на интервале стационарности.
После прохождения сигнала по каналу связи и обработки его входным устройством 6, входной сигнал определенной частоты и амплитуды (несущая) поступает на вход синхронного детектора 7 и вход устройства фазовой автоподстройки частоты 8. В устройстве ФАПЧ 8 происходит подстройка на частоту несущей. С выхода ФАПЧ 8 сигнал, имеющий частоту несущей, поступает на второй вход синхронного детектора, обеспечивая тем самым наличие опорного сигнала одной и той же частоты с входным сигналом. Огибающая информационного сигнала и огибающая обучающего сигнала выделяются (фильтруются) с помощью фильтра нижних частот. Фильтрация осуществляется с разделением во времени. С помощью усилителя 2 происходит усиление сигнала. Преобразование сигнала S(t) в S(nT) происходит в спецвычислителе 3.
Взятие отсчетов огибающей входного сигнала (информационного и обучающего) ведется в соответствии с теоремой отсчетов (теоремой Котельникова). В силу того, что огибающие информационного и обучающего сигнала испытывают воздействие канала связи с переменными параметрами, можно записать, что после АЦП в спецвычислителе эти составляющие будут иметь вид:
где (i) - i-ый мгновенный отсчет аддитивной помехи обучающего сигнала;
(i) - i-ый мгновенный отсчет аддитивной помехи информационного сигнала.
После записи полученных отсчетов во внутреннее запоминающее устройство спецвычислителя 3, происходит их обработка спецвычислителем 3 в соответствии с алгоритмом вычисления оценки инварианта:
где INVl - l-ый передаваемый инвариант;
L - количество реализации обучающего сигнала;
N - количество отсчетов огибающей информационного сигнала. Такое же количество отсчетов берется и для огибающей обучающего сигнала.
После такой процедуры принимается решение в пользу того или иного инварианта.
Z пор рассчитывается методом наилучшей Байесовской оценки на основе известных дисперсии аддитивной помехи, амплитуды S об и записанных во внутреннее ОЗУ спецвычислителя 3 отсчетов сигналов информационной и обучающей последовательности.
При этом анализатор сигнала 4 обеспечивает фиксацию появления сигнала и запускает таймер 5, обеспечивающий поцикловую и поэлементную синхронизацию.
Сигнал с выхода таймера 5 синхронизирует работу спецвычислителя 3. Достигается это тем, что огибающая входного сигнала с выхода когерентного детектора 1 поступает на вход анализатора сигнала 4.
После таких процедур огибающая двух составляющих, а именно информационного сигнала и огибающая обучающего сигнала поступает на анализатор сигнала 4, где и происходит анализ наличия сигнала. При наличии сигнала анализатор сигнала 4 запускает таймер 5 системы синхронизации, обеспечивающий поэлементную и поцикловую синхронизацию сигнала приема.
В спецвычислителе 3 происходит запись отсчетов огибающей информационного сигнала и отсчетов огибающей обучающего сигнала во внутреннее оперативное запоминающее устройство.
При принятии очередного i-го блока информационных и обучающих сигналов спецвычислитель 3 совместно с анализатором сигнала 4 и таймером 5 готовятся к приему i+1 блока. Спецвычислитель при этом обрабатывает отсчеты i-ой информационной и i-ый блок обучающей последовательности. Обработка сводится к тому, что спецвычислитель производит деление суммы N отсчетов огибающей информационного сигнала на сумму N отсчетов обучающего сигнала, усредненную по всем реализациям обучающего сигнала.
При такой процедуре обработки огибающих двух последовательностей ведется борьба с аддитивной помехой канала связи.
Таким образом, во-первых, спецвычислитель 3 производит борьбу с мультипликативной помехой путем деления огибающей информационного сигнала на огибающую обучающего сигнала, а во-вторых, производит борьбу с аддитивным шумом путем усреднения всех реализации огибающих обучающего сигнала.
Оценим качественные показатели заявляемого устройства по сравнению с прототипом. Вероятность попарного перехода одного инварианта в другой и обратно (которая является аналогом вероятности ошибки в классических системах) рассчитывается следующим образом:
где Pпер - вероятность попарного перехода одного инварианта в другой и обратно;
Р1 и P2 - вероятности появления INV 1 и INV2.
В нашем случае P 1=Р2=0,5. Первый интеграл - это вероятность появления INV2, когда послан INV1. Второй интеграл - это вероятность появления INV1, когда послан INV2. Zp - пороговое значение.
Плотность вероятности оценки инварианта будет равна:
где 
где N - количество отсчтов;
L - количество накоплений с усреднениями.
При расчете W1(z) использовался инвариант INV1 , при расчете W2(z) - INV2.
В результате моделирования получены кривые помехоустойчивости для К=0,7.
В прототипе вероятность ошибочного приема определяется помехоустойчивостью классического когерентного приема с относительной AM модуляцией (см. кривую 1 на фиг.2). Как видно из этих кривых вероятность попарного перехода инвариантов при заданном отношении сигнал/шум h как минимум на 2 порядка меньше вероятности ошибки прототипа (см. кривую 2 на фиг.2).
Более высокая помехоустойчивость заявляемого устройства объясняется тем, что отношение энергии передаваемого сигнала при любых изменениях параметров канала связи является величиной постоянной.
В заявляемом устройстве информационный модулирующий параметр вложен в это отношение, следовательно, при любых изменениях параметров канала связи помехоустойчивость заявляемой системы будут выше, чем у прототипа. Достоверность полученных результатов подтверждается и приведенной выше математической моделью.
Инвариантная система передачи информации по каналам с переменными параметрами, содержащая когерентный детектор, имеющий синхронный детектор, отличающаяся тем, что в нее введены анализатор сигнала, таймер, усилитель и спецвычислитель, а в когерентный детектор введены входное устройство и устройство фазовой автоподстройки частоты, при этом когерентный детектор соединен с анализатором сигнала, соединенным с таймером, который соединен со спецвычислителем, выход которого является выходом системы, а вход спецвычислителя соединен с выходом усилителя, вход которого соединен с когерентным детектором, в котором входное устройство одним из выходов соединено с синхронным детектором, а вторым выходом - с устройством фазовой автоподстройки частоты, выход которого соединен со вторым входом синхронного детектора.
