RU2809969C1 - Method for assessing signal/noise ratio in wireless communication devices - Google Patents

Method for assessing signal/noise ratio in wireless communication devices Download PDF

Info

Publication number
RU2809969C1
RU2809969C1 RU2023104637A RU2023104637A RU2809969C1 RU 2809969 C1 RU2809969 C1 RU 2809969C1 RU 2023104637 A RU2023104637 A RU 2023104637A RU 2023104637 A RU2023104637 A RU 2023104637A RU 2809969 C1 RU2809969 C1 RU 2809969C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signal
frequency
noise
rank
calculated
Prior art date
Application number
RU2023104637A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Андреевич Катанович
Вячеслав Александрович Цыванюк
Евгений Владимирович Пыков
Павел Валерьевич Попов
Артем Витальевич Приходько
Наталья Ивановна Филатова
Алексей Евгеньевич Орлов
Original Assignee
Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" filed Critical Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова"
Application granted granted Critical
Publication of RU2809969C1 publication Critical patent/RU2809969C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: electrical engineering; communications.
SUBSTANCE: to increase the noise immunity of the communication system, a method is proposed for assessing the signal-to-noise ratio in wireless communication devices, which uses a modified nonparametric rank test based on the Mann-Whitney test. The result of the rank calculation is resistant to significant deviations in the amplitude of the samples of the sampled signal, since the range of values of the estimation functional is limited. In this case, to receive multi-position manipulation signals and form a noise sample, n=2r + 16 incoherent correlators are used, where r is the number of binary symbols per frequency position, the channel block of incoherent correlators is connected to the decision device block, the decision device processes the received data in the array, for each significant signal frequency position the rank value relative to the noise sample is calculated, the differences between the convolution values of the signal and noise samples are calculated, a general difference sample of the resulting convolution differences is formed, and the modulo value of the convolution differences is ranked.
EFFECT: increasing the noise immunity of the communication system.
1 cl, 3 dwg

Description

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).The invention relates to the field of radio engineering and communications, and can be used for demodulating multi-position frequency telegraphy signals with pseudo-random tuning of the operating frequency (PRFC), ensuring the functioning of adaptive noise-resistant radio communication lines in the decameter range of 1.5-30 MHz with mobile marine objects (MMO).

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.Modern software management and automation systems require constant information support on various aspects of their operation under the influence of both unintentional and intentional interference. This leads to the need to increase the noise immunity, throughput and noise immunity of the communication system with the software.

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.The most promising solution to ensure the fulfillment of these requirements for decameter radio links seems to be the use of algorithms for assessing the quality of the received signal, resistant to deviations from the hypothesis of a Gaussian distribution of interference. Such interference with a non-Gaussian power spectral density distribution can occur under conditions of frequency selective fading and pulsed interference.

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.In communication complexes with software, in which noise-resistant radio links are implemented, signal quality in the decameter sub-band is assessed by analyzing detected errors in the channel redundant noise-resistant code. There are known methods for assessing changes in signal phase and calculating signal and interference powers, as well as their complex combination in a single algorithm. Methods based on the analysis of detected errors in a channel redundant noise-correcting code have a disadvantage associated with the correcting abilities of the noise-correcting code. Radio links in the decameter range are characterized by the occurrence of frequency-selective fading as a result of the arrival at the receiving point of several rays that have traveled paths of different lengths. The value of the phase difference between two beams fluctuates in time; as a result of the addition of two beams with approximately equal amplitudes and fluctuating phases, the amplitude-frequency and phase-frequency characteristics become periodic (frequency-selective fading), as a result of which error groups are formed in the stream of information symbols. Therefore, to correct and detect them, it is advisable to use cyclic block codes, for example, Reed-Solomon codes. The correction and detection ability of Reed-Solomon codes depends on the redundancy of the code. With a significant increase in the number of check symbols, the information transmission rate in the radio link decreases.

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.A known device and method for assessing interference and noise in the communication system RU2324291C2 [1]. The product contains a correlation device, a noise and signal separation device, and a reference sequence signal selection device. In this method of estimating the signal-to-noise ratio, calculations of the signal level and interference level are performed using quadratic quantities (calculation of the correlation function for each subcarrier of the OFDM signal). In turn, any discrete sample that differs from the hypothesis of a normal distribution of interference can significantly affect the resulting estimate (integration is carried out by multiplying the amplitudes of the discrete samples of the signal transmitted through the communication channel and the amplitudes of the discrete samples of the reference signal, then summing the resulting products). We can conclude that in difficult conditions of interference and multiplicative signal distortions that occur in multipath channels. This method for assessing interference and noise in a communication system has a disadvantage caused by the instability of the assessment indicators.

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]:The prototype of the proposed method is a method for estimating the signal-to-noise ratio in wireless communication devices with receive diversity RU 2349034C2 [2], which consists in the fact that the estimation module generates estimates of traffic symbols and pilot signal for the received wireless signal based on spatial samples of the signal, scales the estimates traffic and pilot symbols using a spatial projection Wiener filter function, and estimates the signal-to-noise ratio based on the scaled estimates of the traffic and pilot symbols. This method has the disadvantage that the estimation result is unlimited, characteristic of the mean square error, and the limit taken relative to the quadratic estimation functional, with an increase in the number of sample elements, provided that the values of the sample elements are not limited and differ from the main distribution (Tukey model), will diverge [3]:

где ε - «малая» вероятность появления значительно отличающегося значения;where ε is the “small” probability of a significantly different value appearing;

- функция распределения нормальной случайной величины; - distribution function of a normal random variable;

mх - математическое ожидание (параметр сдвига) случайной величины, имеющей нормальное распределение;m x - mathematical expectation (shift parameter) of a random variable having a normal distribution;

σх - среднее квадратичное отклонение (параметр масштаба) случайной величины, имеющей нормальное распределение;σ x - standard deviation (scale parameter) of a random variable having a normal distribution;

Δ(х) - функция распределения ненормальной случайной величины.Δ(x) is the distribution function of an abnormal random variable.

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.Methods for assessing signal quality based on estimating signal power and interference using the least squares method or based on non-robust correlation methods, in the presence of significant deviations in sample values (outliers) caused by frequency-selective fading, which causes nonlinearity of the phase-frequency characteristic of a multipath channel, or pulsed interference , can give estimates significantly different from optimal ones.

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.Sampling a mixture of useful information signal and additive noise may differ significantly from the hypothesis of a normal (Gaussian) distribution. To obtain an optimal stable estimate of signal quality under specified conditions, nonparametric statistical tests or robust versions of parametric statistical tests can be used.

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.Nonparametric are distribution-free statistical tests in which the probability of falsely rejecting the null hypothesis (the sample does not fit the distribution, there is no relationship between samples) is the same for all possible continuous distributions of the main hypothesis.

Методы ранговой оценки, являются непараметрическими критериями.Rank assessment methods are non-parametric criteria.

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].In particular, the Mann-Whitney rank estimation method is used to test the hypothesis about the presence of a useful information signal in a signal/noise mixture noisy with non-Gaussian noise, such as impulse noise, and also subject to multiplicative distortion (frequency-selective fading) [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.Taking into account the identified contradictions caused by the instability of the quadratic estimation functionals to the deviation of the distribution of values from the Gaussian distribution, we can conclude that it is advisable to assess the signal quality using a statistical nonparametric assessment of a sampled analog signal of multi-position frequency telegraphy (MSFT) based on rank tests. This allows you to evaluate the quality of the signal and make a decision on its adaptation in the presence of very different values in the statistical sample. As well as in the case of using a channel quality assessment in a radio link based on the error vector of an error-correcting code (channel level of the EMIOS) obtained during decoding, situations are likely to arise when the correcting abilities of the code will be insufficient and the channel encoder will refuse to decode when the number of errors that can be exceeded is exceeded. be corrected.

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».The disadvantage of both the analogue and the prototype is that they do not have the ability to make a stable assessment of the signal quality, which does not allow making the optimal decision on adapting the parameters of the radio channel according to the operating frequency and the parameters of the signal-code design. No technical solutions have been found whose set of features coincides with the set of features of the proposed method of demodulation and evaluation of the quality of the received signal based on the modified Mann-Whitney rank test for multi-position frequency shift keying (telegraphy) signals with pseudo-random tuning of the operating frequency, including distinctive features. Obtaining such a set of features is a new technical method that ensures the above-mentioned technical result, which allows us to conclude that the claimed invention meets the “inventive step” criterion.

Целью настоящего изобретения является повышение помехозащищенности, пропускной способности и помехоустойчивости системы связи с подвижными морскими объектами в условиях как непреднамеренных, так и преднамеренных помех.The purpose of the present invention is to increase the noise immunity, throughput and noise immunity of a communication system with mobile marine objects in conditions of both unintentional and intentional interference.

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=2r+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.This goal is achieved due to the fact that the method for assessing the signal-to-noise ratio in wireless communication devices uses a modified non-parametric rank test based on the Mann-Whitney criterion; the result of the rank calculation is resistant to significant deviations in the amplitude of samples of the sampled signal, since the range of values of the evaluation functional limited, the method differs in that to receive multi-position manipulation signals and form a noise (reference) sample, it uses n = 2 r + 16 incoherent correlators, where r is the number of binary symbols (bits) per one frequency position, a block of channels of incoherent correlators is connected n outputs to the solver block, through which the results of the operation of convolution of the signal sample and convolution of the noise (reference) sample are transmitted in the form of an array, in the solver the received data is processed in the array, for each significant signal frequency position the rank value relative to the reference noise is determined samples in accordance with the modified Mann-Whitney algorithm, for which the differences in the convolution values of the signal and noise reference samples are calculated, a combined difference sample of the resulting convolution differences is formed, the modulus of the value of the convolution differences is ranked, the rank value is calculated by summing the indices of the corresponding positions of the combined ranked difference sample . Based on the calculation of the rank of each information signal frequency position, a decision is made on the value of r bits at the information output of the decision device, while the signal from the pseudo-random sequence generator is received at the input of the decision device and on its basis the nominal operating frequency is calculated taking into account the selected sub-range in which pseudo-random adjustment of the operating frequency is performed, at each clock cycle of receiving frequency positions, the maximum calculated rank is put in correspondence with the frequency subrange, the obtained maximum values of the rank of signal frequency positions and the calculated value of the nominal operating frequency represent an assessment of the quality of signal passage in the communication channel in the corresponding subrange of operating frequencies, this the estimate in the form of a two-dimensional array is fed to the input of the information and control system of the communication complex in order to provide the functions of frequency and code adaptation of the signal-code design, operational adjustment of frequency schedules compiled using radio wave propagation forecasting programs.

Сущность изобретения иллюстрируется фиг. 1 и фиг. 2.The essence of the invention is illustrated in Fig. 1 and fig. 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:A method for assessing the signal-to-noise ratio in wireless communication devices, based on demodulation of multi-position frequency shift keying (telegraphy) signals with pseudo-random tuning of the operating frequency and assessment of the quality of the received signal based on the modified non-parametric Mann-Whitney rank test, is presented in Fig. 1, where the following notations are adopted:

1 - генератор псевдослучайной последовательности (ПСП);1 - pseudo-random sequence generator (PSG);

2 - смеситель частоты;2 - frequency mixer;

3 - генератор частоты, управляемый ПСП;3 - frequency generator controlled by PSP;

4 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);4 - analog-to-digital converter (ADC);

5 - блок некогерентных корреляторов;5 - block of incoherent correlators;

6 - решающее устройство;6 - deciding device;

7 - информационно-управляющая система.7 - information and control system.

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.The PSP generator 1 generates a pseudo-random sequence (with uniform distribution), receives clock pulses from the unified time system (UTS) of the PMO and key information for the synchronous operation of the transmitting and receiving sets of channel-forming equipment. The pseudo-random sequence enters the generator of highly stable high-frequency oscillations, controlled by PSP 3, to form harmonic oscillations with a frequency determined by the PSP value. At the same time, a pseudo-random sequence is fed into the decision device to form the value of the nominal frequency at which the radiation is carried out and the formation of an array of signal transmission quality estimates.

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.Frequency mixer 2, based on the signal coming from the operating frequency path (preselector) and a highly stable harmonic oscillation from the generator controlled by PSP 3, generates a signal with a constant frequency and then transmits it to the ADC.

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.The frequency generator, controlled by PSP 3, receives a sequence (random number) from the PSP generator, on the basis of which the nominal frequency of the high-frequency oscillation is formed, and then the frequency is fed to frequency mixer 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.ADC 4 converts the MRCT signal with a constant frequency into a digital I/O signal (sampled and quantized by quadrature) and outputs it to the block of incoherent correlators.

Блок некогерентных корреляторов 5 осуществляет свертку цифрового I/O сигнала. При этом сдвиги частот между частотными позициями (поднесущими) ΔFподнес выбираются с условием обеспечения ортогональности в усиленном смысле между номиналами значений частот каждой частотной позиции.Block of incoherent correlators 5 carries out convolution of the digital I/O signal. In this case, frequency shifts between frequency positions (subcarriers) ΔF subcarriers are selected with the condition of ensuring orthogonality in a strong sense between the nominal values of the frequencies of each frequency position.

где Δƒ - ширина спектра радиоимпульса с длительностью т (каждой частотной позиции).where Δƒ is the width of the spectrum of a radio pulse with a duration t (each frequency position).

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).Also, in the block of incoherent correlators, the reference noise sample is calculated from 16 orthogonal in the amplified sense (relative to the information signal) frequency positions. The signal and reference samples are transmitted to the decision device 6 (see Fig. 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.In the decision device 6, the data of the signal and reference samples, the values of the bandwidth, the value of the correlation interval n, expressed by the number of discrete samples of the information sample during the duration of one radio pulse, are processed. Next, a modified Mann-Whitney rank test is performed, based on the results of which the rank of each significant frequency position is calculated. A decision is made in favor of the significant frequency position of the MRCT signal that received the highest rank value. This same maximum rank value is an assessment of the quality of reception of the MFCT signal at the operating frequency, taking into account the frequency converter. Next, the decision device produces a demodulated information signal to the channel decoder, and a data array formed from the nominal operating frequencies and rank assessment values is transmitted to the information and control system of the complex for adapting the radio link according to the operating frequency and signal-code design.

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.The information and control system 7 generates, on the basis of estimates received in the decision device, control signals for adapting the radio link and issues them to the demodulator devices, as well as to the transmitting part of the channelization equipment for transmission via the feedback channel. At the same time, a data array is generated with the results of reception at operating frequencies, operating time and ranking assessment, which can be used to perform machine learning with reinforcement, as well as adapt other decameter channels of the communication complex with software.

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.In fig. Figure 2 shows the software algorithm for the functioning of the decision device, which implements a method for calculating and generating a data array with the results of assessing the signal quality in each frequency subrange.

Примем следующие обозначения:Let us accept the following notation:

i - номер значащей информационной позиции сигнала МПЧТ;i is the number of the significant information position of the MRCT signal;

t - переменная времени;t - time variable;

τ - длительность одного радиоимпульса сигнала МПЧТ;τ is the duration of one radio pulse of the MRCT signal;

n - номер дискретного отсчета дискретизированного сигнала МПЧТ;n is the number of the discrete sample of the sampled MRCT signal;

rank si(nΔt) - ранг значащей i-ой информационной позиции сигнала МПЧТ;rank s i (nΔt) - rank of the significant i-th information position of the MRCT signal;

N - число элементов информационной выборки;N is the number of elements of the information sample;

К - число элементов опорной (шумовой) выборки;K is the number of elements of the reference (noise) sample;

М - число значащих позиций сигнала МПЧТ;M is the number of significant positions of the MRCT signal;

si (n) - дискретизированный сигнал МПЧТ;s i (n) - sampled MRCT signal;

- сопряженный (по Гильберту) дискретизированный сигнал МПЧТ; - conjugate (according to Hilbert) sampled MRCT signal;

zi (n) - дискретизированная смесь сигнала МПЧТ и аддитивного белого Гауссового шума (сигнал может быть искажен мультипликативным воздействием).z i (n) is a sampled mixture of the MCHT signal and additive white Gaussian noise (the signal can be distorted by the multiplicative effect).

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:It is advisable to form the signal-code design of the MPCT for decameter range channels with a random phase on the basis of radio pulses orthogonal to each other in an amplified sense. For such a case, the following expression is valid:

при at

Тогда выполняя вычисление корреляционной функции с помощью некогерентного (квадратурного) коррелятора, получаем выборки для каждой из значащих частотных позиций и шумовую (опорную) выборку:Then, by calculating the correlation function using an incoherent (quadrature) correlator, we obtain samples for each of the significant frequency positions and a noise (reference) sample:

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.From the information and control system 7 of the communication complex, the block of incoherent correlators 5 receives data on the frequency shift between the frequency positions of the MFCT signal, expressed in the nominal frequency relative to the nominal intermediate frequency at which the signal enters the ADC, and the time correlation interval, which is expressed by the number of discrete samples digital carrier of the MFCT signal entering the block of incoherent correlators 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 Di,k:The samples enter the solver 6, where the Mann-Whitney rank test is performed relative to the reference sample, which includes calculating the matrix of differences between the signal and noise samples D i,k :

Учитывая, что представляем матрицу разностей Di,k в виде:Considering that We present the matrix of differences D i,k in the form:

Матрица разностей Di,k преобразуется в матрицу-строку R1,MK путем объединения строк и ранжирования ее элементов в порядке возрастания значения разностей по значению их модуля (абсолютному значению) в матрице-строке R1,MK:The difference matrix D i,k is transformed into a row matrix R 1,MK by combining the rows and ranking its elements in increasing order of the differences by the value of their modulus (absolute value) in the row matrix R 1,MK :

Для каждой частотной позиции si(nΔt) сигнала МПЧТ вычисляется значение ранга 203 путем суммирования порядковых индексов принадлежащих соответствующей строке матрицы Di,k в которой содержатся разности для соответствующей частотной позиции:For each frequency position s i (nΔt) of the MFCT signal, the rank value 203 is calculated by summing the ordinal indices belonging to the corresponding row of the matrix D i,k which contains the differences for the corresponding frequency position:

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.Based on the calculated rank statistical estimates of each frequency position, a decision is made about the symbol received from the communication channel. The maximum rank of a frequency position is an assessment of the quality of signal transmission in the frequency subrange in which the signal was emitted.

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 si(nΔt) 205. Для выполнения функции адаптации радиоканала полученный массив передается в информационно-управляющую систему комплекса связи.To form a data structure of the results of assessing signal reception in the frequency subrange, data from a generator controlled by PSP 3 is received at the input of the decision device, with the help of which the nominal operating frequency 204 is determined in the solver. The data is presented in the form of an array in which the result of the ranking is assigned to the subrange estimates rank s i (nΔt) 205. To perform the radio channel adaptation function, the resulting array is transferred to the information and control system of the communication complex.

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.Simulation modeling carried out for the correlation estimation method and the rank estimation method using the modified Mann-Whitney algorithm made it possible to calculate the relative (asymptotic) efficiency of the rank nonparametric test relative to the correlation statistical criterion, presented in Fig. 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:The calculation results show that if there are values in the sample that differ significantly from the normal distribution, the efficiency of the correlation estimate is 75% lower than the ranking estimate with the same statistical sample sizes:

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.Thus, the use of the proposed method for assessing the quality of the received signal makes it possible to increase the efficiency and accuracy of the assessment, reduce the adaptation time by making an optimal decision to change the parameters of the signal-code design, the operating frequency range, ensuring an increase in the reliability, throughput and noise immunity of decameter radio communication channels with pseudo-random adjustment of the operating frequency with moving marine objects under the influence of both unintentional and intentional interference.

ЛитератураLiterature

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 1/206.1. Patent RU2324291C2 (RF). A device and method for assessing interference and noise in a communication system. / Zae-Hwan Chang (KR) Yun-Sang Park (KR) Sang-Hoon Sung (KK) Chan-Young Kim (KR) - Publ. 04/30/2004 - 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 1/1027.2. Patent RU 2349034C2 (RF). Estimation of signal-to-noise ratio in wireless communication devices with receive diversity. / Farrokh Abrishamkar (US), Brian Banister (US), etc. - Publ. 05/27/2006 - Н04В 1/1027.

3. Хампель Ф., Рончетти Э., Рауссеу П., Штаэль В. Робастность в статистике. Подход на основе функций влияния. - М.: Мир, 1989.3. Hampel F., Ronchetti E., Rausseu P., Stael W. Robustness in statistics. Influence function approach. - M.: Mir, 1989.

4. Хьюбер П. Робастность в статистике. - М.: Мир, 1984.4. Huber P. Robustness in statistics. - M.: Mir, 1984.

Claims (1)

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=2r+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.A method for assessing the signal-to-noise ratio in wireless communication devices, using a modified non-parametric rank test based on the Mann-Whitney criterion. The result of the rank calculation is resistant to significant deviations in the amplitude of samples of the sampled signal, since the range of values of the evaluation functional is limited, the method is characterized by the fact that for n=2 r +16 incoherent correlators are used for receiving multi-position manipulation signals and forming a noise sample, where r is the number of binary symbols per one frequency position, the channel block of incoherent correlators is connected with n-outputs to the solver block, through which the execution results are transmitted operations of convolution of the signal sample and convolution of the noise sample in the form of an array, in the solver the received data is processed in the array, for each significant signal frequency position the rank value relative to the noise sample is calculated in accordance with the modified Mann-Whitney algorithm, the differences in the values of the signal and noise convolutions are calculated sampling, the formation of a general difference sample of the obtained convolution differences is carried out, the modulus of the value of the convolution differences is ranked, the rank value is calculated in accordance with the modified Mann-Whitney algorithm, based on the calculation of the rank of each information signal frequency position, a decision is made on the value r of binary symbols at the information output of the decision device, while the signal from the pseudo-random sequence generator is supplied to the input of the decision device and on its basis the nominal operating frequency is calculated taking into account the selected sub-band in which pseudo-random tuning of the radio frequency is performed, at each cycle of receiving frequency positions the maximum calculated rank is put in correspondence with the frequency sub-range, the obtained the maximum values of the rank of signal frequency positions and the calculated value of the nominal operating frequency represent an assessment of the quality of signal passage in the communication channel in the corresponding sub-range of operating frequencies, this assessment in the form of a two-dimensional array is input to the information and control system of the communication complex in order to provide frequency and code adaptation functions signal-code design, operational adjustment of frequency schedules compiled using radio wave propagation forecasting programs.
RU2023104637A 2023-02-27 Method for assessing signal/noise ratio in wireless communication devices RU2809969C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2809969C1 true RU2809969C1 (en) 2023-12-19

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7190741B1 (en) * 2002-10-21 2007-03-13 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Real-time signal-to-noise ratio (SNR) estimation for BPSK and QPSK modulation using the active communications channel
RU2349034C2 (en) * 2003-05-31 2009-03-10 Квэлкомм Инкорпорейтед Estimation of signal to noise relation in devices of wireless communication with reception separation
RU2548032C2 (en) * 2012-12-11 2015-04-10 Открытое акционерное общество "Российский институт мощного радиостроения" Method of estimating signal-to-noise ratio using phase-modulated signals
RU195857U1 (en) * 2019-05-13 2020-02-07 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" DEVICE FOR COMPENSATION OF ADAPTIVE RADIO INTERFERENCE

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7190741B1 (en) * 2002-10-21 2007-03-13 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Real-time signal-to-noise ratio (SNR) estimation for BPSK and QPSK modulation using the active communications channel
RU2349034C2 (en) * 2003-05-31 2009-03-10 Квэлкомм Инкорпорейтед Estimation of signal to noise relation in devices of wireless communication with reception separation
RU2548032C2 (en) * 2012-12-11 2015-04-10 Открытое акционерное общество "Российский институт мощного радиостроения" Method of estimating signal-to-noise ratio using phase-modulated signals
RU195857U1 (en) * 2019-05-13 2020-02-07 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" DEVICE FOR COMPENSATION OF ADAPTIVE RADIO INTERFERENCE

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1951079B (en) Iterative channel and interference estimation and decoding
CN1084093C (en) Method for estimating signal and noise quality and a receiver
US20180268176A1 (en) RFID Systems with Low Complexity Implementation and Pallet Coding Error Correction
JP5248608B2 (en) Communication system, receiver and communication method
JP4011582B2 (en) Fading frequency estimation device
JP4854003B2 (en) Ranging system
WO2009029628A2 (en) System and method for estimating noise power level in a multi-signal communications channel
JPH06505131A (en) Asymmetric spread spectrum correlator
CN112236945B (en) Interference detection and suppression in uncoordinated systems
UA74167C2 (en) Method and device for monitoring the quality of information in a wireless communication system, a method for determining the bit sequence for controlling signal power, and a device for monitoring the error rate in such a communication system
US7970367B1 (en) System for dual diversity receiver using switched LNAS
KR20040097157A (en) Method and system for implementing smart antennas and diversity techniques
US8995576B2 (en) Method and module for estimating frequency bias in a digital-telecommunications system
Banjade et al. Performance of $ p $-Norm Detector in AWGN, Fading, and Diversity Reception
EP2498558B1 (en) Multitone signal synchronization
US4653053A (en) Performance monitoring of antijam satellite communication network
RU2809969C1 (en) Method for assessing signal/noise ratio in wireless communication devices
WO2007020745A1 (en) Receiver apparatus
CN115956356A (en) Demodulating a modulated signal
CN112910533A (en) Broadband signal array system with parallel structure
US8155243B2 (en) Method for the detection of symbols and associated receiver
CN101019331A (en) Method for designing a digital reception filter and corresponding receiving device
CN104821926A (en) Frequency error estimation
Yaushev et al. Quasi-determined algorithm for resolution of randomly fluctuating signals and chaotic pulse interference
US10514443B2 (en) Method for evaluating radar radiation, and radar apparatus