Способ измерения отношения сигнал/шум сигналов с угловой манипуляцией Российский патент 2024 года по МПК G01R29/26 

Область техники, к которой относится изобретение

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.

Уровень техники

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 (авторское свидетельство SU № 1529148, публ. 15.12.1989, МПК G01R 29/26), 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 оценивания отношения сигнал/шум при использовании сигналов с фазовой модуляцией (патент RU № 2548032, публ. 10.04.2015, МПК H01L 27/22), в котором определяют комплексные амплитуды спектральной составляющей на частоте сигнала для текущего и предшествующего информационных символов, далее определяют модули их суммы и разности, которые накапливают, 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.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ измерения отношения сигнал/шум сигналов с угловой манипуляцией (патент RU № 2799110, публ. 04.07.2023, МПК G01R 29/26, H04B 17/336), в котором по поступающей выборке значений логарифма отношения амплитуд соседних информационных символов вычисляют их дисперсию и затем на ее основе с помощью функционального преобразования дисперсии и отношения сигнал/шум определяют искомую величину отношения сигнал/шум в работающем канале связи.

Недостатком настоящего технического решения является увеличение погрешности измерений в области отношений сигнал/шум, больших 10.

Раскрытие сущности изобретения

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 уменьшении погрешности измерения отношения сигнал/шум, больших 10.

Это достигается тем, что в известном способе измерения отношения сигнал/шум для сигналов с угловой манипуляцией, заключающемся в том, что принимаемый сигнал преобразуют в цифровую форму, по полученным цифровым отсчетам вычисляют значение амплитуды текущего символа и находят логарифм отношения амплитуд текущего и предшествующего символов, вводят операцию модуля от указанного логарифма, далее полученную величину модуля логарифма отношения амплитуд текущего и предшествующего символов сравнивают с установленным порогом и подсчитывают число M превышений этого порога в выборке заданного объема N символов, после чего по известной величине порога и найденной оценке вероятности его превышения формируется искомый результат измерения отношения сигнал/шум с помощью обратного преобразования

из соотношений

где - плотность вероятности амплитуд символов.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено устройство, реализующее предлагаемый способ измерения отношения сигнал/шум сигналов с угловой манипуляцией, на фиг. 2 показана структурная схема варианта реализации накопителя устройства, реализующего способ, на фиг. 3 изображены графики плотности вероятностей логарифма отношения амплитуд соседних информационных символов, на фиг. 4 представлены зависимости вероятности превышения порога от отношения сигнал/шум для различных b.

Осуществление изобретения

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 первому входу компаратора 5, второй вход компаратора 5 подключен к выходу датчика порога 6, а выход компаратора 5 соединен со входом накопителя 7, выход которого подключен к первому входу формирователя результата 8, второй вход формирователя результата 8 соединен с выходом датчика порога 6. Выход формирователя результата 8 выполнен с возможностью формирования результата измерения отношения сигнал/шум в двоичном коде.

Накопитель 7 вычисляет число (M) единиц в последовательности из N двоичных символов с выхода компаратора 5 (число превышений порога) и может быть реализован, например, в соответствии со структурной схемой, показанной на фиг. 2. Схема содержит последовательно соединенные блоки накопления Н-1, …, Н-K. Число блоков K связано с числом обрабатываемых символов соотношением . Каждый блок накопления состоит из регистра сдвига многоразрядных кодов (Р) и сумматора (С), где первый вход сумматора соединен с первым выходом регистра сдвига, а второй вход сумматора соединен со вторым выходом регистра сдвига. Выход сумматора Ck соединен со входом регистра сдвига Р, . При этом вход регистра Р1 является входом схемы, на который поступает сигнал от компаратора К 5 (фиг. 1), а выход сумматора CK является выходом схемы, генерирующим сумму K входных сигналов компаратора.

В этом случае в первом блоке накопления Н-1 в сумматоре С1 складываются двоичные отклики компаратора 5 для пары последнего и предпоследнего принятых информационных символов, записанные в регистре сдвига Р1 на две однобитный ячейки. В блоке накопления Н-2 в сумматоре С2 складываются две вычисленные в блоке Н-1 суммы соседних пар откликов компаратора, записанные в регистре сдвига Р2 на три ячейки, и так далее. В последнем блоке накопления Н-K определяется итоговая сумма M. Работа накопителя тактируется импульсами символьной синхронизации (ИСС) демодулятора.

Формирователь результата 8 выполнен с возможностью осуществления обратного преобразования (1) на основе (2). Наиболее просто он 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.

Определение отношения сигнал/шум базируется на оценке частоты превышения значениями модуля логарифма отношения амплитуд соседних символов

заданного порога по выборке объема N. Здесь - номер очередного принятого символа, - начальное значение амплитуды символа.

Если - плотность вероятностей амплитуд символов, то (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 равна

а плотность вероятности случайных величин - соответственно

Величина превышает пороговый уровень b с вероятностью

Если плотность вероятности амплитуд символов соответствует распределению Райса, что имеет место в канале с аддитивным гауссовским шумом (Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Книга первая / Б.Р. Левин. - М.: Советское радио, 1969. - 752 с.), то из (4), (5) приближенно (с использованием гауссовской аппроксимации распределения Райса) получим

Зависимости при райсовской плотности вероятности амплитуд соседних символов для различных (в дБ) показаны на фиг. 3 сплошными линиями. Здесь же точечными кривыми изображены зависимости , рассчитанные по приближенной формуле (7). Из фиг. 3 следует, что аппроксимация (7) обладает хорошей точностью (7 дБ).

Вероятность (6) зависит только от отношения сигнал/шум и не зависит от абсолютных уровней сигнала и шума. Графики как функции (в дБ) для различных b представлены на фиг. 4. Кружочками нанесены значения вероятности , полученные с помощью статистического имитационного моделирования. Можно видеть, что теоретические зависимости (6) хорошо аппроксимируют соответствующие экспериментальные данные в широком диапазоне отношений сигнал/шум.

Частота превышений порога является оценкой вероятности (6):

На основе (8) заранее вычисляется обратная функция , вычисленные значения вводятся в память формирователя результата 8, который реализуется на базе постоянного запоминающего устройства, и позволяет измерить текущее значение .

Точность статистической оценки вероятности зависит от объема выборки отсчетов и должно выполняться условие . С этой точки зрения целесообразно обеспечивать значения . Если же при больших измеряемых указанное условие нарушается, то можно уменьшить порог , вводя отдельные диапазоны измерения отношения сигнал/шум. По результатам статистического имитационного моделирования при погрешность измерения составляет несколько процентов и падает с ростом .

Согласно предлагаемому изобретению, принимаемый сигнал от демодулятора поступает на вход АЦП 1, где его преобразуют в цифровую форму и полученные отсчеты с выхода АЦП 1 передают 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 функционального преобразователя 4 направляют значение амплитуды предшествующего -го символа с выхода блока задержки 3. В функциональном преобразователе 4 вычисляют модуль логарифма отношения амплитуд текущего и предшествующего символов , (он реализуется на постоянном запоминающем устройстве), полученные значения подают на первый вход компаратора 5, а на его второй вход - код порогового уровня от датчика порога 6. На выходе компаратора 5 формируют логические сигналы (1, если величина превышает порог и 0 в противном случае), которые суммируют в накопителе 7 за символов и полученную величину подают на первый вход формирователя результата 8, на его второй вход подают значения порога , а на выходе формирователя результата 8 получают значение , являющееся измеренным отношением сигнал/шум.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет за счет формирования выборки значений логарифма отношения амплитуд соседних информационных символов и определения частоты превышения заданного порога, определить отношение сигнал/шум в работающем канале связи для сигналов с двухпозиционной и многопозиционной угловой (частотной или фазовой) манипуляцией, в том числе при достаточно больших его величинах (больших 10), без изменения потока передаваемых данных и использования дополнительных тестовых сигналов с непрерывным скользящим измерительным окном продолжительностью N символов с возможностью выбора диапазона изменения измеряемой величины отношения сигнал/шум для повышения точности ее определения.

Использование изобретения позволяет уменьшить погрешность измерения отношения сигнал/шум двоичных и многопозиционных сигналов с угловой (частотной или фазовой) манипуляцией, больших 10.

Изобретение относится к области радиотехники, 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. Технический результат: уменьшение погрешности измерения отношения сигнал/шум, большего 10. Сущность: принимаемый сигнал преобразуют в цифровую форму, по полученным цифровым отсчетам вычисляют значение амплитуды текущего символа и находят логарифм отношения амплитуд текущего и предшествующего символов, вычисляют модуль найденного логарифма. Величину модуля логарифма отношения амплитуд текущего и предшествующего символов сравнивают с установленным порогом b и подсчитывают число M превышений этого порога в выборке заданного объема N символов. По известной величине порога и найденной оценке вероятности его превышения формируют результат измерения отношения сигнал/шум h² с помощью обратного преобразования из соотношений, , , где w(x) – плотность вероятностей амплитуд символов. 4 ил.

Способ измерения отношения сигнал/шум сигналов с угловой манипуляцией, заключающийся в том, что принимаемый сигнал преобразуют в цифровую форму, по полученным цифровым отсчетам вычисляют значение амплитуды Z_j текущего символа и находят логарифм отношения амплитуд ln(Z_j/Z_j-1) текущего и предшествующего (j-1)-го символов, отличающийся тем, что вычисляют модуль найденного логарифма отношения амплитуд текущего и предшествующего символов , который сравнивают с установленным порогом b и подсчитывают число M превышений этого порога в выборке заданного объема N символов, после чего по известной величине порога и найденной оценке вероятности его превышения формируют искомый результат измерения отношения сигнал/шум h² с помощью обратного преобразования из соотношений

где w(x) – плотность вероятностей амплитуд символов.