Эвристический алгоритм различения порядка фазовой манипуляции

Здесь -- полезный сигнал, -- аддитивный гауссовский белый шум.

После квадратурного демодулятора получим квадратуры принятого фазоманипулированного сигнала вида:

Здесь и -- синфазная и квадратурная составляющие шума, -- частота расстройки опорных сигналов приемника и передатчика, квадратуры и могут принимать следующие значения:

- BPSK манипуляция:

- QPSK манипуляция:

- 8PSK манипуляция:

Частота расстройки появляется в связи с не идеальностью опорных генераторов приемника и передатчика, выраженной в их нестабильности, эффектом Доплера и других эффектов.

Учет влияния частоты расстройки опорных генераторов передатчика и приемника.

Согласно (2), в принимаемых составляющих сигнала имеется составляющие обоих квадратур передатчика. Это вызвано наличием частотной расстройки, из-за которой происходит вращение принимаемого сигнального созвездия, что приводит к невозможности функционирования фазового демодулятора. Для устранения этой расстройки, используют схемы фазовой синхронизации.

Сигналы (2) подаются на контур фазовой синхронизации, блок-схема которого изображена на рисунке 1. Данная схема выполняет поворот принимаемого сигнального созвездия к виду созвездия, заложенного в модуле принятия решения. Вся работа данной схемы не зависит от передаваемой информации. фазовый синхронизация сигнал приемный

Рис. 1. Структурная схема контура фазовой синхронизации для фазоманипулированных сигналов.

Модуль комплексного ротатора выполняет математическую операцию вида:

При этом выходом данного модуля являются повернутые квадратуры

Далее эти сигналы подаются на выход схемы и на модуль расчета арктангенса для нахождения мгновенной фазы принимаемого сигнала , отличной от значения фазы в созвездии. Далее значение фазы подается на решающее устройство, предназначенное для сигнала определенного вида фазовой манипуляции. Выходом данного модуля является значение фазы , которое вычисляется как ближайшая к точка созвездия по эвклидовому расстоянию.

Ошибка вычисляется как разность:

Сигнал ошибки подается на вход пропорционально-интегрирующего фильтра, имеющий следующую функцию передачи:

Коэффициенты и известны заранее и определяют характеристики работы ФАПЧ. Выходом данного фильтра будет так называемый сигнал частотной расстройки, который подается на цифровой ГУН. Выходами данного модуля будут являться и , где -- частота опорного генератора, которую можно считать оценкой частотной расстройки принимаемого сигнала.

Эвристический алгоритм различения PSK модуляций

Пусть наблюдается реализация (1). О полезном сигнале известно следующее:

-- длительность одного информационного символа ;

-- центральная частота принимаемого сигнала с заданной максимальной допустимой частотной расстройкой ;

-- сигнал является фазоманипулированным с неизвестным порядком модуляции.

Необходимо синтезировать приемное устройство, которое формирует решение о порядке фазовой модуляции.

Рис. 2. Блок-схема синтезированного устройства оценки порядка модуляции фазоманипулированных сигналов

Для решения данной задачи была использована схема фазовой синхронизации, изображенная на рисунке 2. Она включает несколько схем фазовой синхронизации, рассчитанные на разные виды фазовой манипуляции и отличающиеся модулем решающего устройства. Для простоты реализации и объяснения принципов работы будем считать, что происходит различение манипуляций типа ФМ-2, 4, 8 (BPSK, QPSK и 8PSK). Увеличение диапазона оцениваемого порядка модуляции приведет лишь к увеличению количества контуров фазовой синхронизации и большего количества проверяемых условий в решающем устройстве.

За основу была взята схема фазовой синхронизации, описанная ранее (рисунок 1). Имеется два контура, отличающихся только решающим устройством перед формированием сигнала ошибки. Далее было решено использовать сигнал ошибки для оценки порядка модуляции. После произведения оценки частотной расстройки, из принимаемого сигнального созвездия будет исключено вращение. Следовательно, после этого можно произвести расчет выборочной дисперсии сигнала ошибки. Вычисление производится по формуле:

Здесь -- номер канального символа, -- выборочное среднее, -- длина анализируемо й выборки.

Далее, в решающем устройстве, происходит следующий алгоритм анализа данных:

-- если выборочная дисперсия сигнала ошибки схемы с самым малым порядком модуляции, заложенной в решающем устройстве, не превышает порога, то принимается решение о том, что наблюдаемые данные имеют самый меньший порядок модуляции;

-- если же дисперсия фазовой ошибки больше порога, то анализируется сигнал ошибки схемы следующего порядка и алгоритм повторяется;

-- если же дисперсии всех контуров принимают значения выше порога, то принимается решение об отсутствии фазоманипулированного сигнала или его порядок выше, чем был заложен в устройстве анализа.

Экспериментальным путем была получена формула для формирования порога для каждой степени модуляции:

Здесь -- порядок модуляции, принимающий значения 2, 4, 8 и т.д.

Рис. 3. Зависимости выборочной дисперсии от решающего устройства при порядке модуляции принимаемого фазоманипулированного сигнала M=2.

Результаты моделирование работы данного метода приведены на рисунках 3, 4 и 5. Рассматривались различные случаи принимаемого сигнала, такие как прием BPSK, QPSK и 8PSK. Алгоритм проверялся в случае отсутствия шумов. Параметры системы: длительность информационного символа нс, частота расстройки кГц, длина анализируемой выборки .

Рис. 4. Зависимости выборочной дисперсии от решающего устройства при порядке модуляции принимаемого фазоманипулированного сигнала M=4.

Рис. 5. Зависимости выборочной дисперсии от решающего устройства при порядке модуляции принимаемого фазоманипулированного сигнала M=8.

Заключение

Разработанный метод предлагает способ различения порядка фазовой манипуляции принимаемого сигнала для достаточно малой априорной информации о наблюдаемом сигнале. Достаточно знать, что принимаемый сигнал имеет фазовую модуляцию, известна длительность одного информационного символа, центральная частота с возможной её малой расстройкой. При этом входящий в схему контур ФАПЧ является неотъемлемой частью приёмника PSK сигналов, и сможет выполнять сразу несколько задач - это и избавление принятого сигнала от частотной расстройки приёмника и передатчика, что приведёт к фиксированию сигнального созвездия, так и оценки порядка модуляции принятого сигнала.

Основным минусом данного метода является невозможность различения между собой таких типов модуляций, как разностная (дифференциальная) и синхронная. Вдобавок требуется большое время наблюдения анализируемого сигнала. И также появляется трудность в демодулировании принятого сигнала. Помимо того, что неизвестно, с какого бита будут начинаться информационные слова, так и остается основная проблема такого решения фазовой синхронизации - фазовая неопределенность. Принятое сигнальное созвездие будет зафиксировано относительно приёмного созвездия с неизвестным фазовым сдвигом, остающимся постоянным до конца приема сигнала.

Благодарности

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №17-71-10057).

Литература

1. Kim K., Polydoros A. Digital modulation classification: the BPSK versus QPSK case // Military Communication Conference, 1988. MILCOM 88. IEEE, pp. 431 - 436. DOI: 10.1109/MILCOM.1988.13427

2. Ali Abdi, Octavia A. Dobre, Rahul Choudhry, Yeheskel Bar-Ness, and Wei Su. Modulation classification in fading channels using antenna arrays // Military Communications Conference, 2004.

3. Rice M. Digital Communications: A Discrete-Time Approach// New Jersey: Pearson Prentice Hall, 2008. -- 800 p. -- ISBN-13: 978-0130304971.

4. Nezami M.K. RF Architectures and Digital Signal Processing Aspects of Digital Wireless Transceivers//Ph.D, 2003. - 513 p.

Аннотация

В работе представлен эвристический алгоритм различения порядка фазовой манипуляции. Алгоритм основан на преобразовании классической схемы фазовой синхронизации и производит оценку выборочной дисперсии фазовой ошибки.

Ключевые слова: фазовая манипуляция, порядок фазовой манипуляции, фазовая синхронизация, выборочная дисперсия фазовой ошибки.

In the paper we presents a heuristic algorithm for distinction the order of phase manipulation. The algorithm is based on the transformation of the classical phase-locking scheme and estimates the sample variance of the phase error.

Keywords: phase shift keying, the order of phase shift keying, phase synchronization, selective dispersion of the phase error.

Размещено на Allbest.ru