Информационное письмо
Образец оформления статьи
Анкета автора
10.01.2017

Исследование быстрого алгоритма цифрового обнаружения узкополосных сигналов

Макашин Леонид Алексеевич
магистрант 1 курса факультет радиотехники и электроники, радиотехники Воронежский государственный технический университет Воронеж, Россия
Аннотация: В статье рассматривается быстрый алгоритм цифрового обнаружения узкополосных сигналов. Приведено описание работы алгоритма. Рассмотрены результаты моделирования алгоритма обнаружения в среде MathCad. Приводится пример практической реализации данного алгоритма. Представлена информация по дальнейшему улучшению как самого алгоритма, так и улучшению макета.
Ключевые слова: цифровая обработка сигналов, цифровая техника, алгоритм обнаружения сигнала, радиотехника
Электронная версия
Скачать (924.6 Kb)

Важнейшим этапом обработки узкополосного радиосигнала является обнаружение его присутствия в шуме в заданной полосе частот. В настоящее время известно множество различных способов и алгоритмов обнаружения узкополосных радиосигналов. На практике алгоритмы обнаружения могут быть реализованы как на аналоговой, так и на цифровой элементной базе. В настоящее время, в виду очень быстрого развития цифровой техники, всё чаще задачу обнаружения решают на различных цифровых схемах. Наиболее эффективным является использование специализированных сигнальных микропроцессоров и ПЛИС.

Цель исследования – практическая реализация нового цифрового алгоритма обнаружения.

Для обнаружения предлагается использовать быстрый цифровой алгоритм, приведённый на рис.1. [1]

Рисунок 1 – Структурная схема алгоритма обнаружителя
Рисунок 1 – Структурная схема алгоритма обнаружителя

В общем случае, принимаемый узкополосный сигнал можно представить в виде:

2.png

 где 3.png – медленно меняющиеся функции времени;

4.png

На малом интервале времени, равном длительности нескольких информационных посылок, амплитуду S(t) и начальную фазу ψC(t) принимают постоянными, тогда формула (1.1) записывается в виде:

5.png

Формулу (1.4) можно записать и по-другому:

6.png

Равенство (1.5) определяется особенностями гармонического сигнала, и даёт возможность проводить квадратурную некогерентную обработку гармонического сигнала (1.4) [2].

По теореме В.А. Котельникова, частота квантования fкв равна удвоенной ширине спектра. Для гармонического сигнала (1.4), при частоте квантования равной 2f0, получающиеся отсчёты будут противофазными [2].

Для квадратурной обработки сигнала (1.1), требуется ещё удвоить частоту кантования, тем самым считывать отсчёты через четверть периода.

7.png

Таким образом, при дискретизации на периоде формируется выборка из четырёх отсчётов (рис.2).

8.png

Рисунок 2 – Формирование отсчётов

Значения отсчётов на периоде несущей равны:

9.png

При поступлении N периодов сигнала, формируются отсчёты  10.png . Далее выборка делится на две последовательности чётных и нечётных отсчётов. На каждом периоде происходит вычисление разностей чётных и нечётных отсчётов с последующим сложением полученных разностей за N периодов. В результате формируются отклики квадратурных каналов y0 и y1 в виде:

11.png

Результатом обработки является величина z, равная:

12.png

При получении новых отсчётов происходит пересчёт величины z. Отсчёты устаревшего периода удаляются из выборки. В результате, решение о наличии узкополосного сигнала принимается по последовательности значений z1,z2,…,zi, где iномер последнего обработанного периода.

На вход АЦП поступает узкополосный сигнал s(t), далее он дискретизируется с частотой fкв, задаваемой генератором тактовых импульсов. На выходе АЦП формируется по четыре отсчёта s0,s1,s2,s3, которые затем поступают в многоразрядный сдвиговый регистр.

На вычитателях рассчитываются разности чётных и нечётных отсчётов. Далее результат вычитаний суммируется с содержимым сдвигового регистра, в котором хранится одно полученное при обработке предыдущего периода значение. Таким образом, формируются суммы разностей отсчётов. После этого поступает новый период сигнала, и новые значения с выходов вычитателей записываются в регистры сдвига, заменяя хранящиеся в них, предыдущие значения.

Блок квадратичных вычислений (КВ) производит вычисление значения z по формуле (1.10), которое затем передаётся на решающее устройство (РУ). Для упрощения вычислений, операция по извлечению корня из 13.png может не выполняться. В таком случае выдаётся значение z2. Решающее устройство, в соответствии с порогом z0 принимает решение R о наличии или отсутствии сигнала на входе.

В среде MathCad проведено моделирование алгоритма обнаружения. На графике (рис.3) показана зависимость оценки амплитуды сигнала от номера текущего периода. На начальном участке имеется линейный рост, за счёт заполнения многоразрядных регистров сдвига, а затем формируется оценка амплитуды гармонического сигнала в присутствии шума.

 Рисунок 3 – Зависимость оценки амплитуды сигнала от номера текущего периода

Рисунок 3 – Зависимость оценки амплитуды сигнала от номера текущего периода

Для исследования описанного алгоритма была построена лабораторная установка.

Структурная схема лабораторной установки цифрового обнаружителя узкополосных сигналов (рис.4) состоит из четырёх функциональных блоков: генераторов гармонического сигнала и шума, сумматора и цифрового обнаружителя на микроконтроллере.

Рисунок 4 – Структурная схема макета обнаружителя
Рисунок 4 – Структурная схема макета обнаружителя

Генератор шума выполнен на основе полупроводникового стабилитрона, сигнал с которого затем усиливается с помощью ОУ.

Генератор гармонического сигнала построен на мосте Вина. Для контроля коэффициента усиления используется цепочка АРУ на основе полевого транзистора [3].

Разработка устройства производилась в среде Altium Designer 16. Трехмерная модель платы обнаружителя и изготовленное устройство приведены на рис.5-6.

Рисунок 5 – Модель печатной платы готового обнаружителя
Рисунок 5 – Модель печатной платы готового обнаружителя

Рисунок 6 – Изготовленный макет обнаружителя
Рисунок 6 – Изготовленный макет обнаружителя

Программа написана на языке Assembler, в среде AVR Studio4.19. В ходе апробации установлено, что устройство под управлением этой программы работает и выполняет свои функции по обнаружению сигнала. В дальнейшем использование ПЛИС или сигнальных процессоров для реализации данного алгоритма позволит перейти на частоты порядка нескольких десятков мегагерц, и проверить данный алгоритм на реальных сигналах. К тому же их использование позволит улучшить и расширить алгоритм, например, добавить к нему оценку уровня шума, с которой обычный микроконтроллер не справляется в виду отсутствия некоторых аппаратных функций, например перемножителя.

Список литературы:

1. Глушков А.Н., Литвиненко В.П., Проскуряков Ю.Д. Цифровой обнаружитель узкополосных сигналов // Патент РФ № 2257671 от 27.07.2005.

2. Токарев А.Б., Останков А.В., Характеристики радиотехнических сигналов: учеб. пособие // Воронеж: ГОУ ВПО “Воронежский государственный технический университет”, 2007. 149с.

3. Хоровиц П., Хилл У., Искусство схемотехники. Пер. с англ. – Изд. 2-е. – М.: Издательство БИНОМ. – 2015. – 704 с., ил.