научная статья по теме АЛГОРИТМЫ СИНХРОНИЗАЦИИ ДЛЯ ПРИЕМА МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ С НЕПРЕРЫВНОЙ ФАЗОЙ И ЦИКЛИЧЕСКИ ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ ИНДЕКСОМ МОДУЛЯЦИИ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «АЛГОРИТМЫ СИНХРОНИЗАЦИИ ДЛЯ ПРИЕМА МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ С НЕПРЕРЫВНОЙ ФАЗОЙ И ЦИКЛИЧЕСКИ ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ ИНДЕКСОМ МОДУЛЯЦИИ»

РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 59, № 11, с. 1118-1124

ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

УДК 621.391.072

АЛГОРИТМЫ СИНХРОНИЗАЦИИ ДЛЯ ПРИЕМА МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ С НЕПРЕРЫВНОЙ ФАЗОЙ И ЦИКЛИЧЕСКИ ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ ИНДЕКСОМ МОДУЛЯЦИИ

© 2014 г. А. Ю. Унгер, Г. В. Куликов

Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики, Российская Федерация, 119454 Москва, просп. Вернадского, 78 E-mail: kulikov@mirea.ru Поступила в редакцию 19.09.2013 г.

Рассмотрены алгоритмы совместной цикловой, тактовой и фазовой синхронизации приемников модулированных сигналов с непрерывной фазой и циклически изменяющимся индексом модуляции. Алгоритмы построены на основе теории нелинейной фильтрации и являются оптимальными в смысле минимума средней квадратичной ошибки. Построена замкнутая модель системы синхронизации и проведено ее всестороннее исследование методами компьютерного моделирования.

DOI: 10.7868/S0033849414100088

ВВЕДЕНИЕ

Модулированные сигналы с непрерывной фазой (МНФ) [1] нашли широкое применение в системах спутниковой и мобильной связи благодаря уникальным спектральным и энергетическим характеристикам. Среди множества сигнальных форматов МНФ особый интерес представляют сигналы с циклически изменяющимся индексом модуляции (ЦИИМ). Использование ЦИИМ позволяет на порядок улучшить помехоустойчивость приема по сравнению с сигналами МНФ с фиксированным индексом модуляции, сохраняя компактный спектр сигнала [1]. Однако это усложняет приемник и связанную с ним систему синхронизации. Для построения такой системы и решения вопросов относительно ее оптимальности требуется строгое математическое обоснование.

В данной работе предлагается использовать результаты теории оптимальной нелинейной фильтрации для разработки связанных алгоритмов цикловой, тактовой и фазовой синхронизации сигналов МНФ ЦИИМ.

1. ОПИСАНИЕ СИГНАЛА МНФ ЦИИМ

Пусть на вход приемника поступает аддитивная смесь полезного сигнала МНФ ЦИИМ и белого гауссовского шума со спектральной плотностью мощности N

Запишем полезный сигнал МНФ ЦИИМ в комплексной форме на интервале kT + т < t < (k + 1) T + т:

s(t) = A expOW - т, Ck, Лк))ехр(/ф).

(2)

Здесь А — амплитуда, Е — энергия сигна-

ла на длительности тактового интервала Т, т — задержка, ф — начальная фаза, у — информационная составляющая фазы

y(t, Ck, hk) = hkC„q(t - iT),

(3)

i=0

r(t) = s(t) + n(t).

(1)

в которой g(t) = dq(t)/dt — функция частотного импульса, hk — один из K циклически изменяющихся индексов модуляции, Ck — информационный символ, принимающий одно из M возможных значений ±1, ±3, ..., ±(M — 1). В зависимости от длительности функции частотного импульса различают сигналы с полным откликом и сигналы с частичным откликом. Здесь и далее в отношении сигналов МНФ используется терминология из [1]. Не умаляя общности, все дальнейшие рассуждения будем проводить на примере двоичного (M = 2) сигнала МНФ ЦИИМ с двумя индексами модуляции (K = 2) с полным откликом и прямоугольным частотным импульсом

[—, 0 < t < T g(t) = \2T .

|о, t < 0, t > T

Известно [1], что сигнал МНФ ЦИИМ, у которого индексы модуляции являются рациональными числами, приведенными к общему знаме-

нателю q, определяется фиксированным числом возможных состояний на каждом тактовом интервале. Определим состояние сигнала вектором дискретных параметров 9 = (Фк, Нк, Ск), где Фк — одно из 2q фазовых состояний. Число возможных значений дискретного параметра равно п = 4^.

2. АЛГОРИТМЫ ОЦЕНКИ ЗАДЕРЖКИ, ФАЗЫ И ИНДЕКСА МОДУЛЯЦИИ

Для получения алгоритмов синхронизации воспользуемся положениями марковской теории нелинейной фильтрации дискретно-непрерывных процессов [2]. В данном случае процесс характеризуется одним дискретным 9 и двумя непрерывными параметрами т и ф. Смена значений дискретного параметра происходит на границах тактовых интервалов tk(т), которые зависят от случайной задержки. При известной задержке эти границы можно определить из соотношения

1к = кТ + т.

На разных тактовых интервалах значения дискретного параметра образуют однородную цепь Маркова с матрицей вероятностей перехода из /-го состояния в у-е Пу и вектором начальных вероятностей р/ = 1/п, /,у = 1...п.

В общем случае теория оптимальной нелинейной фильтрации для дискретно-непрерывных процессов, развитая в [2], приводит к дифференциальному уравнению в частных производных для смешанной апостериорной плотности вероятностей непрерывных параметров т и ф. Решение этого уравнения в реальном времени не представляется возможным, поэтому воспользуемся известной гауссовской аппроксимацией апостериорной плотности вероятностей [3]. При этом структура системы синхронизации определяется из системы дифференциальных уравнений для оценок задержки и фазы, а точность ее работы — из системы алгебраических уравнений для ошибок оценок.

Разберем простейшую ситуацию связи между двумя неподвижными объектами. В этом случае фазовый угол ф и временной сдвиг т сигнала можно промоделировать априорными стохастическими уравнениями [4]

й т/ йг = пт(г), й ф/йг = пф(г).

(4)

(5)

Здесь

пЛк)пМ 2) = 0.5И_8(/1 - (2),

Уравнения для оценок задержки и фазы [4], конкретизированные для условий (4) и (5), имеют вид

й т*

йг

дг (г, т*, ф*) + к д г (г, т*,ф*)

дт* дф*

дг (г, т*, ф*)

й ф* = к дг (г, т*, ф*) + к йг к " дф* ^

дт*

(6)

(7)

Функция F(t, т, ф) для дискретных сигналов определяется следующим образом [5]:

Г (г, т, ф) = £ Г(г, т, ф) р(г, 0 = /| т, ф).

(8)

1=\

Здесь

р(г, 0 = /| т, ф) = р(гк + 0,0 = /| т, ф) ехр I | т, ф№ '

ЦсТ+т

(9)

£р(гк + 0,0 = ¡\ т, ф)ехр <| | г(гъ т, ф№

I=1

ЦсТ+т

— условная апостериорная вероятность 1-го значения дискретного параметра сигнала при фиксированной задержке и фазе. Выражение (9) справедливо при условии, что задержка и фаза сигнала мало меняются на длительности тактового интервала или, более формально, времена корреляции задержки и фазы много больше Т:

тх, тф > Т. (10)

Для границ тактовых интервалов определены следующие предельные соотношения:

п

р(гк + 0,0 = /| т, ф) = £ плр(гк - 0, е = Л т, ф). (11)

1=1

Уравнения (9) и (11) позволяют рекуррентно вычислять апостериорную вероятность дискретного параметра сигнала. При этом апостериорная вероятность, рассчитанная к концу текущего тактового интервала, становится априорной для следующего тактового интервала.

2

В выражении (8) определим Г (г, т, ф) =

N

хг(г^((г, т, ф), где s¡(t, т, ф) — опорный сигнал МНФ ЦИИМ, соответствующий ¡-му значению дискретного параметра.

Кроме того, необходимо найти производные от функции F(t, т, ф) по задержке Fт и фазе Fф. Для этого приведем выражение (8) к виду

ПтЙК^) = 0.5ВД1 - г2).

Г (г, Т, ф) = — ^ 1п

дг

£ р1 ехр ! | г(г1, т, ф)йг^

1кТ+т

>. (12)

Здесь Р1 обозначает априорную вероятность дискретного параметра сигнала в начале к-го тактового интервала. Меняя порядок дифференцирования, получим

Г = ^

т 31

п '

у г а^^ й

^ дт 1

' =1 кТ+т

Р1 ехр ^ |

1кТ+т

У Р1 ехр! | т,ф№[

1=1

Г

* 31

1кТ+т

(13)

п 1

У Г ^

^ J 5ф 1

1=1

кТ+т

р( ехр \ | х,ф)<^?]

1кТ+т

У Р1 ехр < | ЪфЩ

=1

(.кТ+т

(14)

—ф 2

^' ф , к ^ г + 2 К К Г + К ^ Г — 0

+ к ффг фф + 2К ффК фтг фт + к фтг тт о,

(15)

К ффК фт Гфф + К ффК тт Гфт +

+ К ^ Г + К К г — 0

+ ^ фт^фт + ^ фт^тт^тт —2х + К т2т Гтт + 2КфтКтт Гфт + К ФтГфф — 0.

Для ее решения требуется найти средние по времени значения вторых производных

Г _ дг (?, т, ф) _ дГ (?, т, ф)

дт дф

_ дГ (?, т, ф) фт дфдт

Учитывая малость апостериорных дисперсий задержки и фазы при большом отношении сиг-

нал/шум, после несложных, но громоздких вычислений, получим

Г =

-((ПА) Е \hlGl

—0Т I к к

{пС} 2(0^, (16)

— А 2

г = -—

ГТ = о.

(17)

(18)

Здесь Е{-} — оператор временного усреднения. Подставляя (16)—(18) в (15), запишем решение

2 Г К =

** М- тти «тип

рф/2|Гфф|, (19)

К = 0 К = _

ЛфТ ^ лтт ^т/^КттЬ "фф 'ф/^Ч^ффЬ

из которого следует, что оценки задержки и фазы некоррелированы.

Подставляя (19) в (6) и (7) и интегрируя, получим в окончательном виде алгоритмы оценки задержки и фазы сигнала в конце каждого тактового интервала

п (к+1)Т+т*

*(к) = КтУ р(к) |

кТ+т* (к+1)Т+т*

дГ(?, т*, ф*) дт*

йи (20)

дГ$, т*, ф*)

дф*

сН.

(21)

ф*(к) = К ф У р(к) |

'=1 кТ+т*

Здесь р(к) обозначает апостериорную вероят ность (9) в конце к-го тактового интервала,

Значения Ктт, Кфф, Кфт в уравнениях (6) и (7) определяются из системы алгебраических уравнений для ошибок оценок — вторых центральных моментов гауссовского распределения, аппроксимирующего апостериорную плотность вероятностей [4]

К —

4пАК т

N о

г _ 2акфф

к ф —-

Ф —о

'о о

— коэффициенты усиления в цепях слежения за задержкой и фазой соответственно.

Приемнику сигнала МНФ ЦИИМ помимо контуров тактовой и фазовой синхронизации необходим правильный индекс модуляции на каждом тактовом интервале, т.е. необходим контур цикловой синхронизации. Правило пересчета вероятностей, содержащееся в формулах (9) и (11), как раз и является таким "контуром", так как позволяет определить наиболее вероятный индекс

I *

модуляции пк.

Структурная схема приемника сигнала МНФ ЦИИМ представлена на рис. 1. В схеме можно выделить отдельные контуры слежения за задержкой и фазой принимаемого сигнала, взаимодействующие между собой посредством блока вычисления апостериорных вероятностей.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ

Для исследования полученных алгоритмов оценки задержки, фазы и индекса модуляции воспользуемся компьютерным моделированием.

о

X

п

X

Рис. 1. Схема приемника сигнала МНФ ЦИИМ.

Модель представляет собой программу, написанную на языке высокого уровня C++. Исходными данными для программы является массив комплексных чисел, представляющих собой отсчеты зашумленного сигнала МНФ ЦИИМ, взятые с некоторой частотой дискретизации 1/Ts = N/T

rj] = sj] + nj], (22)

гдеj — последовательный номер отсчета. Здесь n j] — комплексное число, действительная и мнимая компоненты которого являются независимыми псевдослучайными нормально распределенными величинами с нулевым математическим ожиданием и дисперсией а2 = N0/Ts (Ts — интервал дискретизации). Дисперсия а2 легко определятся,

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком