Способ измерения отношения сигнал/шум сигналов с угловой манипуляцией Российский патент 2023 года по МПК G01R29/26 H04B17/336 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в системах передачи дискретной информации для определения отношения сигнал/шум и оценки качества канала связи с угловой (частотной или фазовой) манипуляцией без введения дополнительной избыточности в передаваемые сигналы.

В процессе функционирования системы связи возникает необходимость контроля качества передачи информации с целью выбора наилучшего канала или управления скоростью передачи данных. Качество канала чаще всего определяется отношением сигнал/шум в виде отношения мощности принимаемого сигнала к мощности входного шума на входе демодулятора, и его оценка является актуальной задачей при проектировании систем передачи информации с двоичными или многопозиционными сигналами с угловой (частотной или фазовой) манипуляцией.

Известен способ измерения отношения сигнал/шум (Ваккер Р.А., Лорогов О.Н. Способ измерения отношения сигнал/шум и устройство для его осуществления // Авторское свидетельство SU 1529148 А1, МПК G01R 29/26, опубл. 15.12.1989, бюл. № 46), в котором отдельно с помощью нелинейного преобразования и частотной фильтрации оцениваются мощности смеси сигнала и шума, а также мощность шума с последующей оценкой отношения сигнал/шум.

Недостатком настоящего технического решения является низкая точность измерения, обусловленная погрешностями определения мощностей сигнала и помехи.

Известен способ измерения отношения сигнал/шум (Леглер В.В., Патюков В.Г., Патюков Е.В. Способ измерения отношения сигнал/шум // Патент РФ № 2399923 С1, МПК G01R 29/26 , опубл. 20.09.2010, бюл. № 26), в котором определяется среднеквадратическое отклонение измеренного периода сигнала от его среднего значения с последующим определением отношения сигнал/шум.

Недостатком данного технического решения является значительная погрешность измерения отношения сигнал/шум из-за того, что случайные колебания периода или фазы принимаемого сигнала обусловлены не только входным шумом, но и нестабильностями опорных генераторов передатчика и приемника, а также другими факторами.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ оценивания отношения сигнал/шум при использовании сигналов с фазовой модуляцией (Егоров В.В., Катанович А.А., Лобов С.А., Маслаков М.Л., Мингалев А.Н., Смаль М.С., Тимофеев А.Е. Способ оценивания отношения сигнал/шум при использовании сигналов с фазовой модуляцией // Патент РФ № 2548032 С2, МПК H01L 27/22, опубл. 10.04.2015, бюл. № 10), в котором определяются комплексные амплитуды спектральной составляющей на частоте сигнала для текущего и предшествующего информационных символов, далее определяются модули их суммы и разности, которые накапливаются, и массив этих значений передается в блок нахождения максимума правдоподобия, в котором формируется оценка отношения сигнал/шум.

Недостатками настоящего технического решения являются сложность технической реализации большого объема вычислительных операций и узкая область применения из-за возможности его использования только для сигналов с двоичной фазовой манипуляцией.

Технической задачей предлагаемого изобретения является измерение отношения сигнал/шум двоичных и многопозиционных сигналов с угловой (частотной или фазовой) манипуляцией без изменения режима работы канала связи.

Технический результат заключается в расширении области применения и снижении сложности вычислительных операций.

Это достигается тем, что в известном способе измерения отношения сигнал/шум сигналов с угловой манипуляцией, заключающемся в том, что принимаемый сигнал преобразуют в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем и полученные цифровые отсчеты поступают в блок вычисления амплитуды, текущее значение амплитуды символа подают в блок задержки на один символ и в функциональный преобразователь, в который также подают значение амплитуды предшествующего -го символа из блока задержки, далее в функциональном преобразователе вычисляют логарифм отношения амплитуд текущего и предшествующего символов и полученные значения передают в вычислитель дисперсии, которым формируют оценку дисперсии этих величин в течение N символов, значения дисперсии передают в формирователь результата, которым выполняют обратное преобразование из соотношений

, ,

,

где – модифицированная функция Бесселя нулевого порядка, на выходе которого формируют значение , являющееся измеренным отношением сигнал/шум.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено устройство, реализующее предлагаемый способ измерения отношения сигнал/шум сигналов с угловой манипуляцией, на фиг. 2 – зависимость дисперсии логарифма отношения амплитуд соседних символов от отношения сигнал/шум.

Устройство, реализующее предлагаемый способ измерения отношения сигнал/шум сигналов с угловой манипуляцией содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, выход которого соединен со входом блока вычисления амплитуды 2, выход которого соединен со входом блока задержки 3 и первым входом функционального преобразователя 4. Выход блока задержки 3 соединен со вторым входом функционального преобразователя 4, выход которого подключен к входу вычислителя дисперсии 5, выход которого подсоединен к формирователю результата 6.

Вычислитель дисперсии 5 может быть реализован, например, по схеме вычисления суммы квадратов отсчетов из выборки заданного объема, описанной в патенте (Чернояров О.В., Макаров А.А., Глушков А.Н., Литвиненко В.П., Литвиненко Ю.В., Матвеев Б.В. Цифровой измеритель статистических характеристик случайных сигналов // Патент РФ № 2662412 С1, МПК G06F 17/18, G01R 19/25, G01R 19/255, G01R 19/02, H03K 25/00, опубл. 25.07.2018, бюл. № 21).

Формирователь результата 6 выполнен с возможностью осуществления обратного преобразования из соотношений

,

и может быть реализован табличным методом, например, на базе постоянного запоминающего устройства.

Способ измерения отношения сигнал/шум сигналов с угловой манипуляцией осуществляется следующим образом.

В демодуляторах сигналов с угловой модуляцией решения о принимаемых символах выносятся на основе оценки уровней откликов в каналах обработки каждой возможной позиции и выделения их максимального значения (Журавлев В.И., Трусевич Н.П. Методы модуляции-демодуляции радиосигналов в системах передачи цифровых сообщений. – М.: Инсвязьиздат, 2009. – 312 с.). При квадратурной обработке сигналов определяются отклики и косинусного и синусного (синфазного и квадратурного) каналов с последующей оценкой амплитуды символа . Таким образом, в любом демодуляторе может быть сформирована оценка амплитуды j-го принятого символа.

Оценка отношения сигнал/шум базируется на статистических свойствах выборки значений логарифма отношения амплитуд соседних символов

где – номер очередного принятого символа, N – объем выборки, – начальное значений амплитуды символа. По выборке , (2) оценивается выборочная дисперсия как

Входной гауссовский шум (используемый, как правило, в качестве модели реальных помех на входе приемного устройства) приводит к случайным колебаниям амплитуды символов (Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Книга первая. – М.: Советское радио, 1969. – 752 с.), которые при отсутствии сигнала описываются релеевской плотностью вероятности вида

а при его наличии – плотностью вероятности Райса, определяющейся как

Здесь – дисперсия отсчетов входного гауссовского шума, S – амплитуда принимаемого сигнала.

При отсутствии шума амплитуды символов одинаковы, их отношение равно единице, а значения и их дисперсия равны нулю.

Согласно (Матвеева Т.А., Светличная В.Б., Зотова С.А. Теория вероятностей: системы случайных величин и функции случайных величин: Учеб. пособие. – Волгоград: РПК "Политехник", 2006. – 65 с.) плотность вероятности отношения неотрицательных случайных величин и с одинаковой плотностью вероятности имеет вид

а плотность вероятности значений их логарифма (2) –

соответственно.

При отсутствии сигнала из (4), (6) и (7) следует, что среднее значение случайной величины G со значениями (2) равно нулю, а ее дисперсия

не зависит от уровня (дисперсии) входного шума.

В присутствии сигнала плотность вероятности оценок амплитуд сигнала описывается формулой Райса (5). Определив отношение сигнал/шум как

для плотности вероятности значений (2) из (7) имеем

где

интеграл (11) в (10) вычисляется численно.

При наличии сигнала по результатам численных расчетов среднее значение логарифма отношения амплитуд соседних символов G практически равно нулю. Тогда дисперсия случайной величины G определяется выражением

Полученная в результате численных вычислений зависимость (12) от (9) изображена сплошной линией на фиг. 2. Здесь же пунктиром показано значение дисперсии (8) при отсутствии сигнала. Точками нанесены результаты статистического имитационного моделирования.

Как следует из фиг. 2, увеличение уровня сигнала приводит к уменьшению дисперсии логарифма отношения амплитуд соседних символов. Зависимость определяется только отношением сигнал/шум и не зависит от абсолютных уровней сигнала и шума.

Обратная зависимость от вводится в память формирователя результата 6 измерения отношения сигнал/шум и позволяет определить текущее значение по оценке дисперсии (3).

Как следует из результатов статистического имитационного моделирования, при погрешность определения составляет менее 10%, а при – менее 3% соответственно.

Согласно предлагаемому изобретению, принимаемый сигнал от демодулятора подают на вход АЦП 1, где он преобразуется в цифровую форму и полученные цифровые отсчеты с выхода которого поступают в блок вычисления амплитуды 2. Текущее значение амплитуды символа подают на вход блока задержки 3 на интервал длительности символа и на первый вход функционального преобразователя 4. На второй вход преобразователя 4 поступает значение амплитуды предшествующего -го символа с выхода блока задержки 3. В функциональном преобразователе 4 вычисляют логарифм отношения амплитуд текущего и предшествующего символов (он реализуется на постоянном запоминающем устройстве), и полученные значения передают в вычислитель дисперсии 5, формирующий оценку дисперсии этих величин в течение N символов. Значения дисперсии с выхода вычислителя 5 поступают в формирователь результата 6, который может быть реализован на основе постоянного запоминающего устройства и выполняющий обратное преобразование из соотношений (1). На выходе формирователя результата 6 выдается значение , являющееся измеренным отношением сигнал/шум.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет за счет определения выборки значений логарифма отношения амплитуд соседних информационных символов, оценки ее дисперсии (или среднеквадратического отклонения) определить отношение сигнал/шум в работающем канале связи для сигналов с двухпозиционной и многопозиционной угловой (частотной или фазовой) манипуляцией без изменения потока передаваемых данных и дополнительных тестовых сигналов с непрерывным скользящим измерительным окном продолжительностью N символов.

Использование изобретения позволяет расширить область применения и снизить сложность вычислительных операций благодаря простоте вычисления дисперсии (суммы квадратов отсчетов) и табличному вычислению сложного преобразования (1).

Изобретение относится к радиотехнике и применяется в системах передачи дискретной информации для определения отношения сигнал/шум. Технический результат - определение отношения сигнал/шум в работающем канале связи без изменения потока передаваемых данных и дополнительных тестовых сигналов, снижение сложности вычислительных операций. Результат достигается тем, что в способе измерения отношения сигнал/шум сигналов с угловой манипуляцией, заключающемся в том, что принимаемый сигнал преобразуют в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем и полученные цифровые отсчеты поступают в блок вычисления амплитуды, текущее значение амплитуды символа подают в блок задержки на один символ и в функциональный преобразователь, в который также подают значение амплитуды предшествующего -го символа из блока задержки, далее в функциональном преобразователе вычисляют логарифм отношения амплитуд текущего и предшествующего символов и полученные значения передают в вычислитель дисперсии, которым формируют оценку дисперсии этих величин в течение N символов, значения дисперсии передают в формирователь результата, которым выполняют обратное преобразование . 2 ил.

Способ измерения отношения сигнал/шум сигналов с угловой манипуляцией, заключающийся в том, что принимаемый сигнал преобразуют в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем и полученные цифровые отсчеты поступают в блок вычисления амплитуды, отличающийся тем, что текущее значение амплитуды символа подают в блок задержки на один символ и в функциональный преобразователь, в который также подают значение амплитуды предшествующего -го символа из блока задержки, далее в функциональном преобразователе вычисляют логарифм отношения амплитуд текущего и предшествующего символов и полученные значения передают в вычислитель дисперсии, которым формируют оценку дисперсии этих величин в течение N символов, значения дисперсии передают в формирователь результата, которым выполняют обратное преобразование из соотношений

, ,

,

где – модифицированная функция Бесселя нулевого порядка, на выходе которого формируют значение , являющееся измеренным отношением сигнал/шум.