способ извлечения информации о доплеровском сдвиге частоты несущей сигнала и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ извлечения информации о доплеровском сдвиге частоты несущей сигнала, включающий разделение сигнала на две равные компоненты, частотное преобразование обоих компонент с последующей низкочастотной фильтрацией каждой из преобразованных по частоте компонент сигнала, перемножение отфильтрованных сигналов и нахождение преобразования Фурье от сигнала, отличающийся тем, что одну компоненту сигнала преобразуют по частоте синфазно относительно номинала центральной частоты сигнала, другую - квадратурно относительно той же частоты, фильтруют каждую из преобразованных по частоте компонент сигнала в полосе низких частот, равной полуширине полосы спектра сигнала, формируют комплексный сигнал с действительной частью, равной фильтрованному синфазному сигналу, и мнимой частью, равной отфильтрованному квадратурному сигналу, Фурье-образ находят от сформированного комплексного сигнала, находят аргумент максимума Фурье-образа сигнала в области отрицательных частот и аргумент максимума Фурье-образа сигнала в области положительных частот, а доплеровский сдвиг частоты несущей сигнала получают как полусумму найденных аргументов максимума.

2. Устройство для извлечения информации о доплеровском сдвиге частоты несущей сигнала, содержащее последовательно включенные разветвитель, являющийся входом устройства, первый смеситель и первый фильтр нижних частот (ФНЧ), при этом вход второго ФНЧ подключен ко второму выходу разветвителя через второй смеситель, а также Фурье-процессор и гетеродин, подключенный ко второму входу первого смесителя, отличающееся тем, что вход действительной компоненты сигнала Фурье-процессора, формирующего комплексный сигнал и вычисляющего Фурье-образ комплексного сигнала, подключен к выходу первого ФНЧ, а вход мнимой компоненты сигнала Фурье-процессора подключен к выходу второго ФНЧ, второй вход второго смесителя подключен к выходу гетеродина через фазовращатель, а к выходу Фурье-процессора подключено арифметическое устройство, выход которого является выходом устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике связи и может использоваться для извлечения информации о доплеровском сдвиге частоты несущей сигнала в информационно-измерительных устройствах без априорной информации о модулирующем сообщении.

Извлечение информации о доплеровском сдвиге частоты несущей сигнала имеет очень большое значение в системах дальней космической связи с космическими аппаратами (КА) типа Mars Polarlander, Mars Pathfinder [1] или с КА типа Voyager и Galileo [2].

Известен ряд способов извлечения информации о доплеровском сдвиге частоты несущей для сигналов с двухпозиционной фазовой манипуляцией, основанных на априорном знании информации, содержащейся в модулирующем сообщении [5, 6], что существенно усложняет процесс обработки [7] и делает их малоприемлемыми в чрезвычайных ситуациях, когда такая информация может оказаться недоступной. Для преодоления указанных недостатков были созданы способ и устройство извлечения информации о доплеровском сдвиге частоты несущей сигнала с двухпозиционной фазовой манипуляцией, не требующие априорного знания информации, содержащейся в модулирующем сообщении [7].

Однако в настоящее время в системах дальней космической связи с космическими аппаратами, в системах пейджинговой связи продолжают широко использовать сигналы с двухпозиционной частотной манипуляцией (2ЧМн или FSK - Frequency Shift Keying) [3, 4, 8-10], для которых способы извлечения информации о доплеровском сдвиге частоты несущей сигнала [5-7] неприменимы.

Для сигналов, использующих спектрально эффективные методы модуляции при наличии априорного знания о модулирующем сообщении, возможно точное извлечение информации о доплеровском сдвиге частоты несущей сигнала с использованием способа [11]. Известны для сигналов с 2 ЧМн, в случае если разнос равен минимальному сдвигу, способы извлечения информации о доплеровском сдвиге частоты несущей сигнала [12] без априорной информации о модулирующем сообщении, основанные на нелинейных операциях четвертого порядка, приводящие к снижению точности оценивания [15], поскольку при таких операциях примерно в четыре раза уменьшается отношение мощности несущей сигнала к спектральной плотности мощности шума [8]. Кроме того, указанные способы извлечения информации о доплеровском сдвиге частоты несущей сигнала для сигналов с 2 ЧМн, когда разнос между частотами манипуляции не равен минимальному сдвигу, неприменимы, поскольку при нелинейных операциях с таким сигналом его несущая не восстанавливается [8].

Наиболее близким к предлагаемому способу извлечения информации о доплеровском сдвиге частоты несущей сигнала без априорной информации о модулирующем сообщении, по совокупности используемых действий над сигналом, является способ [7], основанный на нелинейной операции второго порядка, принятый за прототип.

Согласно этому способу:

1. Разделяют сигнал на две равные компоненты.

2. Преобразуют по частоте первую компоненту сигнала, смешивая ее с гетеродинирующим сигналом, частота которого ниже частоты несущей сигнала.

3. Преобразуют по частоте вторую компоненту сигнала, смешивая ее с вторым гетеродинирующим сигналом, частота которого выше частоты несущей сигнала.

4. Низкочастотно фильтруют каждую из преобразованных по частоте компонент сигнала.

5. Перемножают отфильтрованные сигналы.

6. Низкочастотно фильтруют результат перемножения.

7. Находят преобразование Фурье от отфильтрованного результата перемножения.

Недостатком способа-прототипа является невозможность извлечения информации о доплеровском сдвиге частоты несущей сигнала с двухпозиционной частотной манипуляцией, поскольку при используемых в способе-прототипе нелинейных операциях с таким сигналом его несущая не восстанавливается [8].

Устройство-прототип [7] своим входом подключено через последовательно включенные разветвитель, первый смеситель и первый фильтр нижних частот (ФНЧ) к первому входу перемножителя, второй вход которого подключен ко второму входу разветвителя через последовательно включенные второй смеситель и второй ФНЧ. Между Фурье-процессором, выход которого является выходом устройства-прототипа, и выходом перемножителя включен третий ФНЧ. К второму входу первого смесителя устройства-прототипа подключен первый гетеродин, а к второму входу второго смесителя устройства-прототипа подключен второй гетеродин.

Недостатком устройства-прототипа так же является невозможность извлечения информации о доплеровском сдвиге частоты несущей сигнала с двухпозиционной частотной манипуляцией.

Техническим результатом изобретения является возможность извлечения информации о доплеровском сдвиге частоты несущей сигнала с двухпозиционной частотной манипуляцией за счет квадратурного разложения входного сигнала, относительно номинала центральной частоты (с низкочастотной фильтрацией синфазной и квадратурной компонент), формирования комплексного сигнала из отфильтрованных компонент и за счет использования расположения дискретных составляющих в Фурье-образе комплексного сигнала.

Технический результат достигнут тем, что в способе извлечения информации о доплеровском сдвиге частоты несущей сигнала, включающем разделение сигнала на две равные компоненты, частотное преобразование обеих компонент с последующей низкочастотной фильтрацией каждой из преобразованных по частоте компонент сигнала, и вычисление преобразования Фурье от сигнала, согласно изобретению одну компоненту сигнала преобразуют по частоте синфазно, относительно номинала центральной частоты сигнала, другую - квадратурно, относительно той же частоты, фильтруют каждую из преобразованных по частоте компонент сигнала в полосе низких частот, равной полуширине полосы спектра сигнала, формируют комплексный сигнал с действительной частью, равной отфильтрованному синфазному сигналу, и мнимой частью, равной отфильтрованному квадратурному сигналу, Фурье-образ вычисляют от сформированного комплексного сигнала, определяют аргумент максимума Фурье-образа сигнала в области отрицательных частот и аргумент максимума Фурье-образа сигнала в области положительных частот, а доплеровский сдвиг частоты несущей сигнала получают как полусумму найденных аргументов максимума.

Способ реализуется устройством для извлечения информации о доплеровском сдвиге частоты несущей сигнала, своим входом подключенным через последовательно включенные разветвитель и первый смеситель к первому фильтру нижних частот (ФНЧ), при этом второй ФНЧ подключен ко второму входу разветвителя через второй смеситель, содержащее Фурье-процессор и гетеродин, подключенный ко второму входу первого смесителя, согласно изобретению Фурье-процессор выполнен комплексным, у которого вход действительной компоненты сигнала подключен к выходу первого ФНЧ, а вход мнимой компоненты сигнала Фурье-процессора подключен к выходу второго ФНЧ, второй вход второго смесителя подключен к выходу гетеродина через фазовращатель, а к выходу Фурье-процессора подключено арифметическое устройство, выход которого является выходом устройства.

На чертеже приведена структурная схема устройства, в котором реализуется предложенный способ.

Согласно предлагаемому способу:

1. Разделяют сигнал на две равные компоненты.

2. Одну компоненту сигнала преобразуют по частоте синфазно относительно номинала центральной частоты сигнала.

3. Другую компоненту сигнала преобразуют по частоте квадратурно относительно номинала центральной частоты сигнала.

4. Фильтруют каждую из преобразованных по частоте компонент сигнала в полосе низких частот, равной полуширине полосы спектра сигнала.

5. Формируют комплексный сигнал с действительной частью, равной отфильтрованной синфазной компоненте сигнала, и мнимой частью, равной отфильтрованной квадратурной компоненте сигнала.

6. Вычисляют Фурье-образ от сформированного комплексного сигнала.

7. Определяют аргумент максимума Фурье-образа сигнала в области отрицательных частот и аргумент максимума Фурье-образа сигнала в области положительных частот.

8. Получают доплеровский сдвиг частоты несущей сигнала как полусумму найденных аргументов максимума.

Как известно [13, 14], сигнал с двухпозиционной частотной манипуляцией может быть представлен в виде

где (t) - фазовая, а _m(t) - частотная девиация несущей частоты ₀= ₀/2 . Сигнальный алфавит h₁, h₂ выражения (1) в общем случае может иметь произвольную форму на интервале, равном или превышающем длительность передаваемого символа Т = 1/ _m = 2 / _m, где _m - частота манипуляции сигнала, а _m - циклическая частота манипуляции сигнала, соответственно [14]. В рассматриваемом случае, сигнала с двухпозиционной частотной манипуляцией, можно ограничиться прямоугольной формой импульсов алфавита h₁, h₂. В таком случае можно использовать более простую и удобную для анализа рассматриваемого частного случая модель сигнала s(t)

s_k(t)=Acos( _kt+ _k),k=1,2

где _k= ₁ или ₂ частоты нажатия и отжатая при частотном разносе _s, соответственно равные

a _k= ₁ или ₂ - случайная начальная фаза сигналов s₁(t) и s₂(t), соответственно.

Выбор сигналов s_k(t) осуществляется независимо на каждом временном интервале длительностью Т. Сигнал s(t), представленный выражением (2), можно тождественно преобразовать к следующему виду

где

а

В выражении (6) случайные величины {m_n}, равновероятно принимающие значения {±1}, представляют биты передаваемой информации, а функция p(t) выражает форму прямоугольного модулирующего импульса. Прямой подстановкой ₁(t) и s₂(t) из (2) в выражения (4)-(6) легко проверить, что сигнал s(t) в выражении (4) принимает значения A cos( ₁t+ ₁) при m_n=1 и, соответственно, A cos( ₂t+ ₂) при m_n=-1.

Полученное, в виде выражений (4)-(6), представление сигнала s(t) с двухпозиционной частотной манипуляцией позволяет заключить, что в нем содержится детерминированная составляющая s₊(t), представляющая собой сумму двух косинусоид с частотами ₁, и ₂, симметрично расположенными относительно номинала несущей частоты ₀, и случайная составляющая s_r(t), равная

При этом сигнал (4) можно переписать в виде

Ввиду линейности прямого преобразования Фурье (преобразования Фурье от сигнала во временной области в частотную область), спектр суммы двух слагаемых сигнала (8) равен сумме спектров слагаемых [16], при этом первая компонента сигнала (8), вследствие входящих в нее детерминированных слагаемых s₁(t) и s₂(t), создаст дискретную (линейчатую) S₁( ) компоненту спектра сигнала S( ), а вторая - вследствие случайности модулирующей функции m(t) - шумовую, непрерывную S_c( ) компоненту спектра сигнала

Для суммы двух косинусоид s₊(t) в соответствии с выражениями (2)-(5) спектр S₁( ) равен [16]

Полученный результат можно использовать для извлечения информации о доплеровском сдвиге частоты несущей сигнала с двухпозиционной частотной манипуляцией. Для упрощения анализа ниже рассматривается только наиболее информативная относительно доплеровского сдвига частоты несущей компонента сигнала s₊(t).

Пусть частота несущей сигнала, вследствие доплеровского сдвига, равна _D= ₀+ _D, тогда после квадратурного разложения сигнала s₊(t), как компоненты сигнала s(t), относительно номинала центральной частоты сигнала

После низкочастотной фильтрации компоненты с удвоенной несущей частотой подавляются, полученные отфильтрованные синфазный и, соответственно, квадратурный сигналы (волнистая черта над сигналом обозначает применение к нему операции фильтрации) можно представить в виде

После объединения сигналов ₁₊(t) и _Q+(t) в комплексный сигнал s_c+(t)

при использовании формулы Эйлера для представления комплексных чисел можно получить комплексный сигнал s_c+(t) в следующем виде

Из выражения (16) с очевидностью следует, что, при _D =0, спектр комплексного сигнала s_c+ (t) равен

и имеет максимум в области отрицательных частот на частоте, равной - _s/2, и максимум в области положительных частот на частоте, равной _s/2, а при _D 0, спектр комплексного сигнала s_c+(t) равен

и имеет максимум в области отрицательных частот на частоте, равной - _c/2+ _D, и максимум в области положительных частот на частоте, равной _s/2+ _D, поэтому полусумма указанных аргументов максимума в точности даст значение доплеровского сдвига частоты несущей сигнала.

Устройство, реализующее предложенный способ извлечения информации о доплеровском сдвиге частоты несущей сигнала (см. чертеж), своим входом подключено через последовательно включенные разветвитель 1 и первый смеситель 2 к входу первого ФНЧ 3. Второй ФНЧ 4 подключен ко второму входу разветвителя 1 через второй смеситель 5. Гетеродин 6 подключен ко второму входу первого смесителя 2. Фурье-процессор 7 выполнен комплексным. Вход действительной компоненты сигнала Фурье-процессора 7 подключен к выходу первого ФНЧ 3. Вход мнимой компоненты сигнала Фурье-процессора 7 подключен к выходу второго ФНЧ 4. Второй вход второго смесителя 5 подключен к выходу гетеродина 6 через фазовращатель 8. К выходу Фурье-процессора 7 подключено арифметическое устройство 9, выход которого является выходом устройства.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Модулированный сигнал в смеси с шумом через вход устройства подается на разветвитель 1. Одна из разветвленных компонент сигнала поступает на первый смеситель 2, другая - на второй смеситель 3. В первом смесителе 2 разветвленная компонента сигнала синфазно смешивается с сигналом гетеродина 4. Во втором смесителе 3 другая разветвленная компонента сигнала - через фазовращатель 5 - квадратурно смешивается с сигналом гетеродина 4. Продукты преобразования с выходов первого 2 и второго 3 смесителей фильтруются соответственно через первый 6 и второй 7 ФНЧ. Сигнал с выхода первого ФНЧ 6 подается на вход действительной компоненты сигнала Фурье-процессора 8. Сигнал с выхода второго ФНЧ 7 подается на вход мнимой компоненты сигнала Фурье-процессора 8. Фурье-процессор 8 вычисляет Фурье-образ комплексного сигнала, полученного в устройстве, как результат вышеперечисленных действий над входным сигналом. С выхода Фурье-процессора 8 Фурье-образ комплексного сигнала поступает на арифметическое устройство 9, где сначала определяют аргумент максимума Фурье-образа сигнала в области отрицательных частот и аргумент максимума Фурье-образа сигнала в области положительных частот, а затем получают доплеровский сдвиг частоты несущей сигнала как полусумму найденных аргументов максимума.

Источники информации

l. Harcke, L., and G. Wood, Laboratory and Flight Performance of the Mars Pathfinder (15,1/6) Convolutionally Encoded Telemetry Link, TDA PR 42-129, January-March 1997, pp.1-11, May 15, 1997.

2. Rebold, Т.А., М. Tinto, S.W. Asmar and E.R. Kursinski, Neptune Revisited: Synthesizing Coherent Doppler From Voyager’s Noncoherent Downlink, TDA PR 42-131, July-September 1997, pp.1-19, November 15, 1997.

3. Бортовые устройства спутниковой радионавигации./Под ред. B.C.Шебшаевича, М., Транспорт, 1988, 201 с.

4. BROADCAST STANDARD FOR THE USCG DGPS NAVIGATION SERVICE COMDTINST M16577.1, U.S. Department of Transportation United States Coast Guard, Washington, DC, April, 1993.

5. US Patent № 4490829, Dec. 1984, Van Etten 375/1.

6. Great Britain Patent № 2120489B, Feb 1986 GB.

7. US Patent № 4706286, Sturza; Mark A., Method and circuit for extraction of Doppler information from a pseudonoise modulated carrier, November 10, 1987 (способ и устройство-прототип).

8. Спилкер Дж. Цифровая спутниковая связь, М., Связь, 1979, 592 с.

9. Feher К. Digital communications: Satellite/Earth stations Engineering N-Y., Prentice-Hall, 1983.

10. DOCUMENT 705-98, SPECTRUM EFFICIENT MODULATION, Prepared by Frequency Management Group Range Commanders Council, Published by Secretariat Range Commanders Council U.S. Army White Sands Missile Range, New Mexico 88002-5110, December 1998.

11. US Patent № 5535249, Miyashita Toshikazu, Precise detection of frequency error for bursts modulated by predetermined symbol sequence, July 9, 1996.

12. United States Patent № 4384357, deBuda, et al. Self-synchronization circuit for a FFSK or MSK demodulator, May 17, 1983.

13. Aulin Т. And Sundberg C.-E. "Calculating Digital FM Spectra by Means of Autocorrelation," IEEE Trans. Comm., COM-30, № 5 (May 1982), pp.1199-1208.

14. Rowe H.E. And Prabhu V.K. "Power Spectrum of a Digital FM signal," Bell System Technical Journal, vol. 54, № 6 (July-August 1975), pp.1095-1125.

15. Kay S. M., Fundamentals of Statistical Signal Processing: Estimation Theory, NJ, Prentice-Hall, 1993.

16. Радиотехнические цепи и сигналы./Под ред. К.А.Самойло. - М.: Радио и связь, 1982, 528 с.