RU184852U1

RU184852U1 - Устройство формирования мягкого решения демодулятора сигнала четвертичной фазовой манипуляции со сглаживанием и сдвигом

Info

Publication number: RU184852U1
Application number: RU2018117476U
Authority: RU
Inventors: Михаил Юрьевич Баланов; Алексей Анатольевич Парамонов; Анатолий Иванович Стариковский
Priority date: 2018-05-11
Filing date: 2018-05-11
Publication date: 2018-11-13

Abstract

Полезная модель относится к системам радиосвязи, использующим для передачи цифровой информации способ модуляции SOQPSK (shaped offset quadrature phase shift keying - четверичная фазовая манипуляция со сглаживанием и сдвигом, вид частотной манипуляции сигналов с непрерывной фазой) и может использоваться в устройствах с демодулятором Витерби, формирующим на своем выходе решение в «мягком» виде. Требуемый технический результат, заключающийся в повышении помехоустойчивости и уменьшении сложности демодулятора, достигается в устройстве, содержащем демодулятор Витерби, линии задержки, блоки выбора минимума, блоки вычитания.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель

Полезная модель относится к системам радиосвязи, использующим для передачи цифровой информации способ модуляции SOQPSK (shaped offset quadrature phase shift keying - четверичная фазовая манипуляция со сглаживанием и сдвигом, вид частотной манипуляции сигналов с непрерывной фазой) и может использоваться в устройствах с демодулятором Витерби, формирующим на своем выходе решение в «мягком» виде. «Мягкое» решение необходимо для более достоверного декодирования принимаемой информации в декодере.

Уровень техники

Требуемый технический результат заключается в повышении помехоустойчивости передачи информации в системе, использующей способ модуляции SOQPSK и помехоустойчивый код. Технический результат заключается в снижении сложности демодулятора сигналов SOQPSK и повышении помехоустойчивости. Демодулятор формирует на своем выходе «мягкое» решение.

Известно устройство [RU 2248678, С2, H04L 27/38 (2000.01), Н03М 5/12(2000.01), 17.09.2002] демодуляции 64-ричной квадратурной амплитудной модуляции (КАМ) для приема входного сигнала R_k(X_k,Y_k), который содержит k-тый квадратурный сигнал Y_k и k-тый синфазный сигнал X_k, и для генерации значений мягкого решения Λ(s_k,5), Λ(s_k,4), Λ(s_k,3), Λ(s_k,2), Λ(s_k,1) и Λ(s_k,0) для входного сигнала R_k(X_k, Y_k) с помощью средства мягкого решения, содержащее первый генератор значения мягкого решения, выполненный с возможностью приема квадратурного сигнала Y_k принятого сигнала R_k и значения 2а расстояния между шестью демодулированными символами, расположенными на одной и той же оси, и генерации значений мягкого решения Λ(s_k,5), Λ(s_k,4) и Λ(s_k,3) для шестого, пятого и четвертого демодулированных символов, используя следующие уравнения:

Z ₁ _k =|Y _k |-4a

Z_2k=|Y_Ik|-2a

Λ(s_k,5)=Y_k+с(α⋅Z_1k+β⋅Z_2k)

где

Λ(s_k,4)=Z_1k+γ⋅Z_2k,

Λ(s_k,3)=Z_2k

где Λ(s_k,5) указывает значение мягкого решения для шестого модулированного символа, Λ(s_k,4) указывает значение мягкого решения для пятого модулированного символа и Λ(s_k,3) указывает значение мягкого решения для четвертого модулированного символа, и второй генератор значения мягкого решения, выполненный с возможностью приема синфазного сигнала X_k принятого сигнала R_k и значения 2а расстояния между шестью демодулированными символами, расположенными на одной и той же оси, и генерации значений мягкого решения Λ(s_k,2), Λ(s_k,1) и Λ(s_k,0) для третьего, второго и первого демодулированных символов, используя следующие уравнения:

Z' _1k =|Y _k |-4a

Z'_2k=|Z'_1k|-2a

Λ(s_k,2)=X_k+с'(α'⋅Z_1k+β'⋅Z_2k)

где

Λ(s_k,1)=Z'_1k+γ'⋅Z'_2k,

Λ(s_k,0)=Z'_2k

где Λ(s_k,2) указывает значение мягкого решения для третьего модулированного символа, Λ(s_k,1) указывает значение мягкого решения для второго модулированного символа и Λ(s_k,0) указывает значение мягкого решения для первого модулированного символа, a MSB означает старший значащий бит.

Недостатком устройства является невозможность его использования для демодуляции сигналов с непрерывной фазой, в частности сигнала SOQPSK.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является декодер [RU 2247471, С2, Н04В 7/216, 05.10.2000], содержащий блок вычисления метрик ветвления (ВМС) для вычисления 2^k метрик ветвлений ВМ в ответ на k входных значений одновременно, где k представляет собой идентичный номер памяти кодера, схему ACS суммирования-сравнения-выбора для приема метрик ВМ и предыдущих метрик путей РМ и создания 2^k LLR (логарифмическое отношение правдоподобия), причем каждое LLR включает соответствующий бит выбора пути и информацию о достоверности, блок поиска состояния максимального правдоподобия ML для последовательного приема ряда бит выбора пути из ACS, поиска состояния ML в соответствии с битами выбора пути с заранее определенными начальными значениями в течение тактового интервала Ds и выдачи в качестве состояния ML одного из начальных значений, блок задержки для приема значений LLR из схемы ACS на тактовом интервале с задержкой значений LLR в течение тактового интервала Ds, блок обновления LLR для приема значений LLR после интервала задержки и обновления значений LLR путем использования последовательно принимаемых соответствующих бит выбора пути и информации о достоверности в течение тактового интервала D_L; селектор для выбора одного из обновленных значений LLR в соответствии со значением состояния ML. Текущая метрика пути в декодере получается путем суммирования данной метрики пути с предыдущей метрикой пути. Схема ACS содержит первый сумматор для приема первой из двух метрик ветвления (ВМ), которые определяются состоянием соединения по решетке из метрик ветвления, и первой из двух метрик путей, которые определяются состоянием соединения по решетке из предыдущей метрики пути, суммирования принятых первой метрики ветвления (ВМ) и первой метрики пути (РМ), и вывода первого суммарного значения, второй сумматор для приема второй из двух метрик ветвления (ВМ) и второй из двух метрик путей (РМ), суммирования принятых второй метрики ветвления (ВМ) и второй метрики пути (РМ), и выдачи второго суммарного значения, компаратор для приема первого и второго суммарных значений, сравнения принятых значений и создания бита выбора пути на основе сравнения, блок вычисления информации о достоверности для приема первого и второго суммарных значений и бита выбора пути и вычисления информации о достоверности и селектор для приема первого и второго суммарных значений и бита выбора пути и выбора одного из суммарных значений в качестве следующей метрики пути (NPM). Информацию о достоверности (δ) получают на основе вычитания первого суммарного значения из второго суммарного значения.

Недостатком наиболее близкого технического решения является высокая вычислительная сложность получения информации о достоверности δ.

Раскрытие сущности полезной модели

Для передачи информации в системах радиосвязи часто находит применение способ модуляции SOQPSK (четверичная фазовая манипуляция со сглаживанием и сдвигом). Рассмотрим кратко вид модуляции, свойства которого непосредственно влияют на структуру демодулятора. Сигнал SOQPSK может быть записан в следующей форме:

где U₀ - амплитуда сигнала; ω₀=2πƒ₀ - несущая частота; ϕ₀ - начальная фаза в момент времени t=0, Т - длительность передачи одного информационного бита. В выражение (1) входит ϕ(A_k,t) - функция передаваемых символов, определяющая закон угловой модуляции, A_k=[d₁;d₂;…;d_k] - вектор двоичных передаваемых символов d_i={0,1}.

Фаза ϕ(A_k,t), определяющая закон модуляции, имеет вид

где α_i - передаваемый троичный символ на i-том тактовом интервале, функция g(t) - функция частотного импульса (ЧИ).

Частотный импульс сигнала SOQPSK представляет собой функцию приподнятого косинуса (3) с дополнительным применением оконной функции (4):

Итоговое выражение для описания ЧИ представляет собой произведение (3) и (4):

Здесь T_s=2Т длительность передачи одного символа в синфазном и квадратурном канале.

Параметры В, ρ, А, Т₁, Т₂ определяют конкретный формат сигнала SOQPSK. Наибольшее распространение получили три формата сигнала SOQPSK: SOQPSK-A, SOQPSK-B, SOQPSK-TG. Параметры указанных сигналов сведены в таблицу 1.

Метод перекодировки информационного потока, состоящего из символов d_k∈{0,1} в троичные символы α_k∈{±1,0} описывается следующим образом:

Для графического представления алгоритма работы троичного кодера используется решетка состояний (фиг. 1). Структура решетки состояний используется при построении приемника сигнала SOQPSK.

Принимаемый сигнал r(t) состоит из аддитивной смеси полезного сигнала (1) и шума.

Приемник, обеспечивающий наилучшее качество извлечения информации, состоит из каскадного соединения корреляторов и детектора последовательности максимального правдоподобия (фиг. 2). Детектор выполнен в виде алгоритма Витерби, который ищет путь по решетке состояний с минимальным евклидовым расстоянием от принятого сигнала.

В основе алгоритма Витерби лежит рекурсивный расчет метрик:

где Z_n-1(A_k,τ) - значение метрики, посчитанное за предыдущие сигнальные интервалы; A_k - возможная комбинация переданных символов, s_m - возможный переданный сигнал на данном интервале.

Для сигнала SOQPSK с частичным откликом, значение метрики определяется следующим выражением:

Выражение (7) и (8) представляют собой корреляционный интеграл между принятым сигналом и опорным.

На фиг. 2 приемник сигнала SOQPSK состоит из нескольких ключевых блоков - набора корреляторов 1-3 и, непосредственно, декодера Витерби 4, построенного на основе алгоритма Витерби (АВ). Корреляторы обеспечивают получение корреляционных интегралов (8) с опорными сигналами, соответствующими символам α_k=+1 (коррелятор 1), α_k=0 (коррелятор 2) и α_k=-1 (коррелятор 3).

Для формирования мягкого решения в демодуляторе используется алгоритм Витерби с мягким решением (SOVA), адаптированный под сигнал SOQPSK.

Алгоритм Витерби для удобства представления можно разбить на несколько частей: расчет метрик путей, выбор выживших путей, вынесение решения. Данная операция называется суммирование-сравнение-выбор (ACS) и выполняется специализированными блоками декодера Витерби. В соответствии с фиг. 1 на каждом тактовом интервале одновременно выполняется четыре операции ACS. После выполнения этих операций образуется четыре выживших пути, среди которых выбирается наиболее правдоподобный путь с максимальной метрикой, символы которого являются «жесткими» решениями демодулятора.

Расчет метрик путей производится аналогично выражению (7).

Блок-схема алгоритма работы демодулятора представлена на фиг. 3.

Отличительной особенностью полезной модели является алгоритм вычисления оценки достоверности принятых «жестких» решений, которая называется «мягким» решением. Предлагаемый способ формирования достоверности оценки отличается от алгоритма SOVA меньшей вычислительной сложностью и простотой реализации.

Рассмотрим подробнее алгоритм SOVA и его модификацию, использованную в устройстве.

В дополнение к обычным действиям алгоритма Витерби (фиг. 3), алгоритм SOVA должен определить второй по степени похожести на принимаемый сигнал путь на решетке состояний, в котором символ, по которому принимается решение, отличается от оценки символа, принимаемой в алгоритме Витерби. За достоверность принимаемого символа принимается разница в метриках двух путей: наиболее вероятного и второго по степени похожести пути.

Реализация алгоритма SOVA выглядит следующим образом. Для каждого состояния на фиг. 1 сохраняется вектор символов выжившего пути. Для сигнала SOQPSK достаточный размер вектора таких элементов составляет 6. В дополнение к указанному вектору символов, представляющему собой «жесткое» решение демодулятора в декодере для каждого состояния сохраняется вектор достоверности решений. При продвижении алгоритма по решетке состояний помимо стандартной операции ACS выполняется оценка достоверности символов по следующему правилу:

1. Для последнего принятого символа достоверность определяется разностью метрик путей, приходящих в это состояние.

2. Для предыдущих символов векторов выживших путей достоверность определяется минимальной величиной из разности метрик путей и предыдущего значения достоверности. Указанное правило выполняется в случае несовпадения символов выживших путей, приходящих в конкретное состояние.

3. В случае совпадения символов выживших путей, приходящих в данное состояние достоверность символа определяется достоверностью символа выжившего пути по окончании операции ACS.

Описанная процедура соответствует классическому алгоритму SOVA и требует дополнительных аппаратно-программных затрат на вычисление достоверности.

Установлено, что наибольшее влияние на принятие «мягкого» решения по данному символу оказывают кандидаты, в которых отличаются первый или третий символ в последовательности символов, принятой в демодуляторе. В результате алгоритм вынесения мягкого решения требует сохранения дополнительно только двух последовательностей символов и двух метрик, соответствующих этим последовательностям, с тем, чтобы выбрать среди них путь наиболее близко расположенный от предполагаемого исходного пути.

В устройстве формирования мягкого решения для сигнала SOQPSK процедура определения достоверности решения декодера может быть упрощена. Правило формирования достоверности решения выглядит следующим образом:

2. Для третьего с конца символа в выжившем пути выполняется процедура коррекции его достоверности путем выбора минимального значения из разности метрик входящих в него путей и текущего значения достоверности.

3. Достоверности остальных символов в выжившем пути сдвигаются в регистре сдвига на одну позицию.

Реализация модели приводит к снижению требований к программно-аппаратным затратам декодера Витерби без изменения качества демодуляции принимаемого сигнала.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 Решетка состояний кодера сигнала SOQPSK.

Фиг. 2 Схема приемника сигнала SOQPSK:

1 - коррелятор принимаемого сигнала с опорным сигналом, соответствующим символу α_k=+1.

2 - коррелятор принимаемого сигнала с опорным сигналом, соответствующим символу α_k=0.

3 - коррелятор принимаемого сигнала с опорным сигналом, соответствующим символу α_k=-1.

4 - декодер Витерби.

Фиг. 3. Блок схема алгоритма Витерби для демодуляции SOQPSK сигнала.

Осуществление полезной модели.

Для проверки полезной модели была построена программа симуляции системы связи, использующей сигнал SOQPSK и сверточный код со скоростью кода 1/2, кодовое ограничение 7 и производящие полиномы 171 и 133 (запись чисел десятичная).

Результаты оценки вероятности ошибки приема системой состоящей из приемника сигнала SOQPSK и декодера Витерби представлены в таблице 2. Здесь Ре(М) - оценка вероятности ошибки системы связи, включающей устройство формирования «мягкого» решения демодулятора сигнала SOQPSK, Pe(SOVA) - оценка вероятности ошибки системы связи включающей демодулятор сигнала SOQPSK с декодером Витерби.

Из приведенных в таблице 2 данных следует, что сравниваемые системы имеют одинаковую помехоустойчивость, однако сложность устройства формирования «мягкого» решения в демодуляторе сигнала SOQPSK меньше сложности приемного устройства, построенного по алгоритму SOVA.

Использование результатов, приведенных в описании, позволит повысить достоверность передачи информации по спутниковым каналам связи, упростить аппаратуру приемного устройства, понизить энергопотребление электронных модулей демодулятора и декодера.

Claims

Устройство формирования мягкого решения при приеме сигнала четверичной фазовой манипуляции, содержащее три коррелятора принимаемого сигнала и опорных сигналов, соответствующих передаваемым символам -1, 0, +1, и демодулятор, выполненный с возможностью формирования по сигналам с выхода корреляторов мягкого решения по алгоритму Витерби решения в виде информации о достоверности символов при операции суммирования-сравнения-выбора выживших путей, отличающееся тем, что демодулятор выполнен с дополнительной возможностью формирования информации о достоверности первых с конца символов выживших путей как разность метрик путей, входящих в состояние решетки состояний на данном тактовом интервале, достоверность третьих с конца символов выживших путей как минимальное значение разности метрик входящих путей и текущего значения информации о достоверности, а информацию о достоверности символов выживших путей, кроме первого и третьего с конца символов, определяется достоверностью символов выжившего пути для текущего состояния решетки состояний.