СПОСОБ ОЦЕНКИ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ/ШУМ В УСТРОЙСТВАХ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ Российский патент 2023 года по МПК H04B17/00 

Изобретение относится к области радиотехники и связи, и может быть использовано для демодуляции сигналов многопозиционной частотной телеграфии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ), обеспечения функционирования адаптивных помехозащищенных радиолиний связи декаметрового диапазона 1,5-30 МГц с подвижными морскими объектами (ПМО).

Современные комплексы управления и автоматизации ПМО требуют постоянного информационного обеспечения по различным аспектам своего функционирования в условиях воздействия как непреднамеренных, так и преднамеренных помех. Это приводит к необходимости повышения помехозащищенности, пропускной способности и помехоустойчивости системы связи с ПМО.

Наиболее перспективным решением, обеспечивающим выполнение этих требований для декаметровых радиолиний, представляется применение алгоритмов оценки качества принимаемого сигнала, устойчивым, к отклонению от гипотезы о гауссовом распределении помехи. Такая помеха с негауссовым распределением спектральной плотности мощности может возникать в условиях частотно-селективных замираний и воздействия импульсных помех.

В комплексах связи с ПМО, в которых реализованы помехозащищенные радиолинии, оценка качества сигнала в декаметровом поддиапазоне выполняется путем анализа обнаруженных ошибок канального избыточного помехоустойчивого кода. Известны способы оценки изменения фазы сигнала и расчета мощностей сигнала и помехи, а также их комплексное сочетание в едином алгоритме. Способы, основанные на анализе обнаруженных ошибок канального избыточного помехоустойчивого кода, имеют недостаток, связанный с исправляющими способностями помехоустойчивого кода. Для радиолиний декаметрового диапазона характерно возникновение частотно-селективных замираний, в результате прихода в точку приема нескольких лучей, прошедших пути разной по длины. Значение разности фаз двух лучей флюктуирует во времени, в результате сложения двух лучей с примерно равными амплитудами и флюктуирующими фазами, амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики приобретают периодический характер (частотно-селективные замирания), в следствии чего, в потоке информационных символов формируются группы ошибок. Поэтому для их исправления и обнаружения целесообразно применять циклические блочные коды, например, коды Рида-Соломона. Исправляющая и обнаруживающая способность кодов Рида-Соломона зависит от избыточности кода. При значительном увеличение числа проверочных символов снижается информационная скорость передачи информации в радиолинии.

Известны устройство и способ оценки помех и шума в системе связи RU2324291C2 [1]. Изделие содержит устройство корреляции, устройство выделения шума и сигнала, устройство выбора сигнала опорной последовательности. В указанном способе оценки соотношение сигнал/шум, вычисления уровня сигнала и уровня помехи выполняются с использованием квадратичных величин (расчет корреляционной функции для каждой поднесущей OFDM-сигнала). В свою очередь, любой отличающийся от гипотезы о нормальном распределении помехи дискретный отсчет может значительно повлиять на результирующую оценку (интегрирование осуществляется путем перемножения значений амплитуд дискретных отсчетов сигнала, прошедшего по каналу связи, и амплитуд дискретных отсчетов опорного сигнала, последующего суммирования полученных произведений). Можно сделать вывод, что в сложных условиях помеховой обстановки и мультипликативных искажений сигнала, возникающих в многолучевых каналах. Указанный способ оценки помех и шума в системе связи имеет недостаток, вызванный неустойчивостью показателей оценки.

Прототипом заявляемого способа является способ оценки отношения сигнал/шум в устройствах беспроводной связи с разнесением приемом RU 2349034C2 [2], заключающийся в том, что модуль оценивания генерирует оценки символов трафика и пилот-сигнала для принятого беспроводного сигнала на основании пространственных выборок сигнала, масштабирует оценки символов трафика и пилот-сигнала, используя пространственную проектирующую функцию винеровского фильтра, и оценивает отношение сигнала/шум на основании масштабированных оценок символов трафика и пилот-сигнала. Указанный способ имеет такой недостаток как неограниченность результата оценки, характерный для средней квадратичной ошибки, а предел, взятый относительно функционала квадратичной оценки, с увеличением числа элементов выборки, при условии, что значения элементов выборки не ограниченны и отличаются от основного распределения (модель Тьюки), будет расходиться [3]:

где ε - «малая» вероятность появления значительно отличающегося значения;

- функция распределения нормальной случайной величины;

m_х - математическое ожидание (параметр сдвига) случайной величины, имеющей нормальное распределение;

σ_х - среднее квадратичное отклонение (параметр масштаба) случайной величины, имеющей нормальное распределение;

Δ(х) - функция распределения ненормальной случайной величины.

Способы оценки качества сигнала, основанные на оценке мощности сигнала и помехи методом наименьших квадратов или на основе неробастных корреляционных методов, при наличии существенных отклонений значений выборки (выбросов), вызванных частотно-селективными замираниями, которые являются причиной нелинейности фазочастотной характеристики многолучевого канала, или импульсными помехами, могут давать оценки существенно отличающиеся от оптимальных.

Выборка смеси полезного информационного сигнала и аддитивной помехи может существенно отличаться от гипотезы о нормальном (Гауссовом) распределении. Для получения оптимальной устойчивой оценки качества сигнала в указанных условиях можно применять непараметрические статистические критерии или робастные варианты параметрических статистических критериев.

Непараметрическими называют свободные от распределения статистические критерии, в которых вероятность ошибочно отвергнуть нулевую гипотезу (выборка не соответствует распределению, не существует связи между выборками) одна и та же для всех возможных непрерывных распределений основной гипотезы.

Методы ранговой оценки, являются непараметрическими критериями.

В частности, метод ранговой оценки Манна-Уитни применяется для проверки гипотезы о наличии в смеси сигнал/шум, зашумленной не гауссовой, например импульсной помехой, а также подверженной мультипликативному искажению (частотно-селективным замираниям), полезного информационного сигнала [4].

Учитывая выявленные противоречия, вызванные не устойчивостью квадратичных функционалов оценки к отклонению распределения значений от гауссова распределения, можно сделать вывод, что целесообразно проводить оценку качества сигнала с помощью статистической непараметрической оценки дискретизированного аналогового сигнала многопозиционной частотной телеграфии (МПЧТ) на основе ранговых тестов. Это позволяет оценить качество сигнала и принять решение о его адаптации в условиях наличия в статистической выборке сильно отличающихся значений. Равно как и для случая применения в радиолинии оценки качества канала по вектору ошибок помехоустойчивого кода (канальный уровень ЭМВОС), полученному при декодировании, вероятно возникновение ситуаций, когда исправляющие способности кода окажутся недостаточными и произойдет отказ канального кодера от декодирования при превышении числа ошибок, которые могут быть исправлены.

Недостатком как аналога, так и прототипа является то, что они не имеют возможности производить его устойчивую оценку качества сигнала, что не позволяет принять оптимальное решение на адаптацию параметров радиоканала по рабочей частоте и параметрам сигнально-кодовой конструкции. Не обнаружены технические решения, совокупность признаков в которых совпадает с совокупностью признаков заявляемого способа демодуляции и оценки качества принятого сигнала на основе модифицированного рангового непараметрического теста Манна-Уитни сигналов многопозиционной частотной манипуляции (телеграфии) с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты, в том числе с отличительными признаками. Получение такой совокупности признаков является новым техническим способом, который обеспечивает получение вышеуказанного технического результата, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «изобретательский уровень».

Целью настоящего изобретения является повышение помехозащищенности, пропускной способности и помехоустойчивости системы связи с подвижными морскими объектами в условиях как непреднамеренных, так и преднамеренных помех.

Поставленная цель достигается за счет того, что способ оценки отношения сигнал/шум в устройствах беспроводной связи, использует модифицированный ранговой непараметрический тест на основе критерия Манна-Уитни, результат расчета ранга является устойчивым к значительным отклонениям амплитуды отсчетов дискретизированного сигнала, так как область значений функционала оценки ограниченна, способ отличается тем, что для приема сигналов многопозиционной манипуляции и формирования шумовой (опорной) выборки использует n=2^r+16 некогерентных корреляторов, где r - число двоичных символов (бит), приходящихся на одну частотную позицию, блок каналов некогерентных корреляторов подключен n выходами к блоку решающего устройства, через которые и передаются результаты выполнения операции свертки сигнальной выборки и свертки шумовой (опорной) выборки в виде массива, в решающем устройстве производится обработка принятых данных в массиве, для каждой значащей сигнальной частотной позиции определяется значение ранга относительно опорной шумовой выборок в соответствии с модифицированным алгоритмом Манна-Уитни, для чего вычисляются разности значений сверток сигнальной и шумовой опорной выборки, осуществляются формирование объединенной разностной выборки полученных разностей сверток, ранжирование по модулю значения разностей свертки, расчет значения ранга путем суммирования индексов соответствующих позиций объединенной ранжированной разностной выборки. На основе расчета ранга каждой информационной сигнальной частотной позиции принимается решение о значении r бит на информационном выходе решающего устройства, при этом, сигнал, от генератора псевдослучайной последовательности поступает на вход решающего устройства и на его основе рассчитывается номинал рабочей частоты с учетом выбранного поддиапазона, в котором выполняется псевдослучайная перестройка рабочей частоты, на каждом такте приема частотных позиций максимальный рассчитанный ранг ставится в соответствие частотному поддиапазону, полученные максимальные значения ранга сигнальных частотных позиций и рассчитанное значение номинала рабочей частоты представляют собой оценку качества прохождения сигнала в канале связи в соответствующем поддиапазоне рабочих частот, данная оценка в виде двухмерного массива поступает на вход информационно-управляющей системы комплекса связи в целях обеспечения функций частотной и кодовой адаптации сигнально-кодовой конструкции, оперативной корректировки частотных расписаний, составленных с помощью программ прогнозирования распространения радиоволн.

Сущность изобретения иллюстрируется фиг. 1 и фиг. 2.

Способ оценки отношения сигнал/шум, в устройствах беспроводной связи, основанный на демодуляции сигналов многопозиционной частотной манипуляции (телеграфии) с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты и оценкой качества принятого сигнала на базе модифицированного рангового непараметрического теста Манна-Уитни, представлен на фиг. 1, где приняты следующие обозначения:

1 - генератор псевдослучайной последовательности (ПСП);

2 - смеситель частоты;

3 - генератор частоты, управляемый ПСП;

4 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

5 - блок некогерентных корреляторов;

6 - решающее устройство;

7 - информационно-управляющая система.

Генератор ПСП 1 формирует псевдослучайную последовательность (с равномерным распределением), принимает синхроимпульсы от системы единого времени (СЕВ) ПМО и ключевую информацию для синхронной работы передающего и приемного комплектов каналообразующей аппаратуры. Псевдослучайная последовательность поступает в генератор высокостабильных высокочастотных колебаний, управляемый ПСП 3, для формирования гармонических колебаний с частотой, определяемой значением ПСП. Одновременно псевдослучайная последовательность подается в решающее устройство для формирования значения номинала частоты, на которой осуществляются излучение и формирование массива оценок качества прохождения сигнала.

Смеситель частоты 2 на основе сигнала, поступающего из тракта рабочей частоты (преселектора) и высокостабильного гармонического колебания от генератора, управляемого ПСП 3, формирует сигнал с постоянной частотой и далее передает его в АЦП.

Генератор частоты, управляемый ПСП 3, принимает от генератора ПСП последовательность (случайное число), на основе которой формируется номинал частоты высокочастотного колебания, и далее частота подается в смеситель частот 2.

АЦП 4 выполняет преобразование сигнала МПЧТ с постоянной частотой в цифровой I/O сигнал (дискретизированный и квантованный по квадратурам) и выдает его в блок некогерентных корреляторов.

Блок некогерентных корреляторов 5 осуществляет свертку цифрового I/O сигнала. При этом сдвиги частот между частотными позициями (поднесущими) ΔF_поднес выбираются с условием обеспечения ортогональности в усиленном смысле между номиналами значений частот каждой частотной позиции.

где Δƒ - ширина спектра радиоимпульса с длительностью т (каждой частотной позиции).

Также в блоке некогерентных корреляторов выполняется вычисление опорной шумовой выборки по 16 ортогональным в усиленном смысле (относительно информационного сигнала) частотным позициям. Сигнальная и опорная выборки передаются в решающее устройство 6 (см. фиг. 2).

В решающем устройстве 6 производится обработка данных сигнальной и опорной выборок, значения ПСП, значение интервала корреляции n, выраженное числом дискретных отсчетов информационной выборки в течении длительности одного радиоимпульса. Далее выполняется модифицированный ранговый тест Манна-Уитни, по результатам которого рассчитывается ранг каждой значащей частотной позиции. Принимается решение в пользу значащей частотной позиции сигнала МПЧТ, получившей наибольшее значение ранга. Это же максимальное значение ранга является оценкой качества приема сигнала МПЧТ на рабочей частоте с учетом ППРЧ. Далее решающее устройство выдает демодулированный информационный сигнал на канальный декодер, а массив данных, сформированный из номиналов рабочих частот, и значений ранговой оценки, передаются в информационно-управляющую систему комплекса для адаптации радиолинии по рабочей частоте и сигнально-кодовой конструкции.

Информационно-управляющая система 7 формирует на основе оценок, принятых в решающем устройстве, сигналы управления для адаптации радиолинии и выдает их на устройства демодулятора, а также на передающую часть аппаратуры каналообразования для передачи по каналу обратной связи. Одновременно формируется массив данных с результатами приема на рабочих частотах, временем работы и ранговой оценки, который может применяться для выполнения машинного обучения с подкреплением, а также адаптации других декаметровых каналов комплекса связи с ПМО.

На фиг. 2 показан программный алгоритм функционирования решающего устройства, реализующий способ вычисления и формирования массива данных с результатами оценки качества сигнала в каждом частотном поддиапазоне.

Примем следующие обозначения:

i - номер значащей информационной позиции сигнала МПЧТ;

t - переменная времени;

τ - длительность одного радиоимпульса сигнала МПЧТ;

n - номер дискретного отсчета дискретизированного сигнала МПЧТ;

rank s_i(nΔt) - ранг значащей i-ой информационной позиции сигнала МПЧТ;

N - число элементов информационной выборки;

К - число элементов опорной (шумовой) выборки;

М - число значащих позиций сигнала МПЧТ;

s_i (n) - дискретизированный сигнал МПЧТ;

- сопряженный (по Гильберту) дискретизированный сигнал МПЧТ;

z_i (n) - дискретизированная смесь сигнала МПЧТ и аддитивного белого Гауссового шума (сигнал может быть искажен мультипликативным воздействием).

Сигнально-кодовую конструкцию МПЧТ для каналов декаметрового диапазона со случайной фазой целесообразно формировать на основе радиоимпульсов, ортогональных относительно друг друга в усиленном смысле. Для такого случая справедливо выражение:

при

Тогда выполняя вычисление корреляционной функции с помощью некогерентного (квадратурного) коррелятора, получаем выборки для каждой из значащих частотных позиций и шумовую (опорную) выборку:

От информационно-управляющей системы 7 комплекса связи в блок некогерентных корреляторов 5 поступают данные о частотном сдвиге между частотными позициями сигнала МПЧТ, выраженные в номинале частоты относительно номинала промежуточной частоты, на которой сигнал поступает в АЦП, и интервале временной корреляции, который выражается числом дискретных отсчетов цифровой несущей сигнала МПЧТ, поступающего в блок некогерентных корреляторов 5.

Выборки поступают в решающее устройство 6, где выполняется ранговый тест Манна-Уитни относительно опорной выборки, который включает в себя вычисление матрицы разностей сигнальной и шумовой выборок D_i,k:

Учитывая, что представляем матрицу разностей D_i,k в виде:

Матрица разностей D_i,k преобразуется в матрицу-строку R_1,MK путем объединения строк и ранжирования ее элементов в порядке возрастания значения разностей по значению их модуля (абсолютному значению) в матрице-строке R_1,MK:

Для каждой частотной позиции s_i(nΔt) сигнала МПЧТ вычисляется значение ранга 203 путем суммирования порядковых индексов принадлежащих соответствующей строке матрицы D_i,k в которой содержатся разности для соответствующей частотной позиции:

На основе рассчитанных ранговых статистических оценок каждой частотной позиции принимается решение о символе, поступившем из канала связи. Максимальный ранг частотной позиции является оценкой качества прохождения сигнала в поддиапазоне частот, в котором происходило излучение сигнала.

Для формирования структуры данных результатов оценки приема сигнала в частотном поддиапазоне на вход решающего устройства поступают данные от генератора, управляемого ПСП 3, с помощью которых в решающем устройстве определяется номинал рабочей частоты 204. Данные представляются в виде массива, в котором в соответствие поддиапазону ставится результат ранговой оценки rank s_i(nΔt) 205. Для выполнения функции адаптации радиоканала полученный массив передается в информационно-управляющую систему комплекса связи.

Имитационное моделирование, проведенное для корреляционного метода оценки и рангового метода оценки по модифицированному алгоритму Манна-Уитни, позволило рассчитать относительную (асимптотическую) эффективность рангового непараметрического теста относительно корреляционного статистического критерия, представленную на фиг. 3.

Результаты расчетов показывают, что в случае присутствия в выборке значений, существенно отличающихся от нормального распределения эффективность корреляционной оценки ниже ранговой на 75% при одинаковых объемах статистической выборки:

Таким образом, использование предложенного способа оценки качества принятого сигнала позволяет повысить эффективность и точность оценки, сократить время адаптации за счет принятия оптимального решения на изменение параметров сигнально-кодовой конструкции, диапазона рабочих частот, обеспечив повышение достоверности, пропускной способности и помехозащищенности декаметровых радиоканалов связи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты с подвижными морскими объектами в условиях воздействия как непреднамеренных, так и преднамеренных помех.

Литература

1. Патент RU2324291C2 (РФ). Устройство и способ, предназначенные для оценки помех и шума в системе связи. / Дзае-Хван Чанг (KR) Юн-Санг Парк (KR) Санг-Хоон Сунг (КК)Чан-Янг Ким (KR) - Опубл. 30.04.2004 - H04L 1/206.

2. Патент RU 2349034C2 (РФ). Оценивание отношения сигнал/шум в устройствах беспроводной связи с разнесением приема. / Фаррокх Абришамкар (US), Брайан Бэнистер (US) и др. - Опубл. 27.05.2006 - Н04В 1/1027.

3. Хампель Ф., Рончетти Э., Рауссеу П., Штаэль В. Робастность в статистике. Подход на основе функций влияния. - М.: Мир, 1989.

4. Хьюбер П. Робастность в статистике. - М.: Мир, 1984.

Изобретение относится к области электротехники и связи. Техническим результатом является повышение помехозащищенности системы связи. Для этого предложен способ оценки отношения сигнал/шум в устройствах беспроводной связи, в котором используется модифицированный ранговый непараметрический тест на основе критерия Манна-Уитни. Результат расчета ранга является устойчивым к значительным отклонениям амплитуды отсчетов дискретизированного сигнала, так как область значений функционала оценки ограничена. При этом для приема сигналов многопозиционной манипуляции и формирования шумовой выборки используется n=2^r+16 некогерентных корреляторов, где r - число двоичных символов, приходящихся на одну частотную позицию, блок каналов некогерентных корреляторов подключен к блоку решающего устройства, в решающем устройстве производится обработка принятых данных в массиве, для каждой значащей сигнальной частотной позиции рассчитывается значение ранга относительно шумовой выборки, рассчитываются разности значений сверток сигнальной и шумовой выборки, осуществляется формирование общей разностной выборки полученных разностей сверток, ранжирование по модулю значения разностей свертки. 3 ил.

Способ оценки отношения сигнал/шум в устройствах беспроводной связи, использующий модифицированный ранговый непараметрический тест на основе критерия Манна-Уитни, результат расчета ранга является устойчивым к значительным отклонениям амплитуды отсчетов дискретизированного сигнала, так как область значений функционала оценки ограничена, способ характеризуется тем, что для приема сигналов многопозиционной манипуляции и формирования шумовой выборки используется n=2^r+16 некогерентных корреляторов, где r - число двоичных символов, приходящихся на одну частотную позицию, блок каналов некогерентных корреляторов подключен n-выходами к блоку решающего устройства, через которые и передаются результаты выполнения операции свертки сигнальной выборки и свертки шумовой выборки в виде массива, в решающем устройстве производится обработка принятых данных в массиве, для каждой значащей сигнальной частотной позиции рассчитывается значение ранга относительно шумовой выборки в соответствии с модифицированным алгоритмом Манна-Уитни, рассчитываются разности значений сверток сигнальной и шумовой выборки, осуществляется формирование общей разностной выборки полученных разностей сверток, ранжирование по модулю значения разностей свертки, расчет значения ранга в соответствии с модифицированным алгоритмом Манна-Уитни, на основе расчета ранга каждой информационной сигнальной частотной позиции принимается решение о значении r двоичных символов на информационном выходе решающего устройства, при этом сигнал от генератора псевдослучайной последовательности поступает на вход решающего устройства и на его основе рассчитывается номинал рабочей частоты с учетом выбранного поддиапазона, в котором выполняется псевдослучайная перестройка радиочастоты, на каждом такте приема частотных позиций максимальный рассчитанный ранг ставится в соответствие частотному поддиапазону, полученные максимальные значения ранга сигнальных частотных позиций и рассчитанное значение номинала рабочей частоты представляют собой оценку качества прохождения сигнала в канале связи в соответствующем поддиапазоне рабочих частот, данная оценка в виде двухмерного массива поступает на вход информационно-управляющей системы комплекса связи в целях обеспечения функций частотной и кодовой адаптации сигнально-кодовой конструкции, оперативной корректировки частотных расписаний, составленных с помощью программ прогнозирования распространения радиоволн.