Способ определения углового положения источника OFDM сигналов

Изобретение относится к области радиотехнических систем и может быть использовано, например, для пассивного определения мобильным измерительным пунктом углового положения источников сигналов, использующих мультиплексирование с ортогональным частотным разделением (OFDM, orthogonal frequency division multiplexing).

Известен разностно-дальномерный способ определения углового положения источника радиоизлучения (ИРИ) (1 - Клименко Н.Н., Клименко С.В. Современное состояние теории и практики радиоинтерферометрии // Зарубежная радиоэлектроника, 1990. - №1. - С. 3-14), (2 - Патент РФ №2204145, МПК: (2000.01) G01S 3/46. Разностно-дальномерный способ пеленгования источника радиоизлучения и реализующее его устройство, Военный инженерно космический университет. Сайбель А.Г. Публ. - 10.05.2003 г.); (3 - Патент РФ №2521084, МПК: (2006.01) G01S 3/46. Разностно-дальномерный способ определения координат источника радиоизлучения, ООО НПП «Новые Технологии Телекоммуникаций». Овчаренко Л.А., Панков А.В., Погорелов В.А., Потапов С.Г., Тимофеев С.С., Шуст М.П. Публ. - 27.06.2014 г.). Он заключается в приеме сигналов ИРИ двумя взаимосвязанными измерительными пунктами с известными координатами, вычислении задержки времени прихода сигналов для этой пары измерительных пунктов, формировании гиперболоида, на основе которого определяют угловое положение ИРИ.

Недостатком способа является необходимость использования двух измерительных пунктов и системы связи между ними. При этом все измерения должны производиться синхронно, что влечет необходимость применения сложной системы единого времени и, следовательно, усложняет техническую реализацию.

Известен доплеровский способ определения углового положения ИРИ (4 - с. 267-269, Рембовский A.M., Ашихмин А.В., Козьмин В.А. Радиомониторинг: задачи, методы, средства// М: Горячая линия - Телеком, 2006. - 492 с). Он заключается в приеме сигнала ИРИ мобильным измерительным пунктом с известными координатами, измерении частоты ƒ_изм. излучения ИРИ и вектора скорости мобильного измерительного пункта, на основе которых при известной действительной частоте ƒ_изл излучения ИРИ осуществляется определение углового положения ИРИ, относительно вектора скорости мобильного измерительного пункта:

где с - скорость распространения радиоволны;

β - угол между вектором скорости мобильного измерительного пункта и направлением на ИРИ.

Недостатком способа является необходимость знания действительной частоты излучения ИРИ ƒ_изл.

Известен корреляционно-интерферометрический способ определения углового положения ИРИ на основе разностей фаз сигналов на элементах антенной системы (5 - с. 269-274, Рембовский A.M., Ашихмин А.В., Козьмин В.А. Радиомониторинг: задачи, методы, средства// М: Горячая линия - Телекомб 2006. - 492 с).

Недостатком способов является необходимость применения сложного многоканального устройства для их реализации.

Известен способ приема OFDM сигналов (6 - с. 125-128, Балашов В.А., Воробиенко П.П., Ляховецкий Л.М. Системы передачи ортогональными гармоническими сигналами. - М.: Эко-Трендз, 2012. - 228 с), принятый за прототип. Он реализуется в виде следующей последовательности операций: принимают и преобразуют в цифровую форму одноканальным цифровым приемником аналоговый сигнал s(t) от источника OFDM сигналов, затем оценивают количество используемых в принятой реализации OFDM сигнала подканалов R и величины частот поднесущих принимаемого OFDM сигнала после чего, выполняют синхронизацию частот поднесущих принимаемого OFDM сигнала и частот поднесущих, используемых при демультиплексировании OFDM сигнала с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ), затем, выполняют тактовую синхронизацию для цифровых отсчетов OFDM сигнала, демультиплексируют подканалы с помощью БПФ и, затем, демодулируют сигналы для каждого подканала, в соответствии с используемой манипуляцией, после чего, декодируют и извлекают информационные сообщения каждого подканала.

Способ обеспечивает декодирование и извлечение информационных сообщений каждого подканала OFDM сигнала с помощью антенны расположенной на мобильном измерительном пункте, без использования информации о действительной частоте излучения источника OFDM сигнала, без применения сложного многоканального устройства, и не требует наличия нескольких измерительных пунктов.

Недостатком способа-прототипа является невозможность определения углового положения источника OFDM сигнала.

Технической проблемой является отсутствие технических средств определения углового положения источника OFDM сигналов, отличающихся простотой реализации и не использующих значение действительной частоты излучения.

Для решения технической проблемы предлагается способ определения углового положения источника OFDM сигналов, для реализации которого принимают и преобразуют в цифровую форму одноканальным цифровым приемником аналоговый сигнал s(t) от источника OFDM сигналов, оценивают количество используемых в принятой реализации OFDM сигнала подканалов R и величины частот поднесущих принимаемого OFDM сигнала выполняют синхронизацию частот поднесущих принимаемого OFDM сигнала и частот поднесущих, используемых при демультиплексировании OFDM сигнала с помощью БПФ, выполняют тактовую синхронизацию для цифровых отсчетов OFDM сигнала, демультиплексируют подканалы с помощью БПФ и демодулируют сигналы для каждого подканала, в соответствии с используемой манипуляцией, после чего, декодируют и извлекают информационные сообщения каждого подканала.

Согласно изобретению, дополнительно, во время приема и преобразования OFDM аналогового сигнала s(t) одноканальным цифровым приемником измеряют и запоминают направление и модуль вектора скорости мобильного приемного пункта, используют в качестве критерия правильности оценки величин частот поднесущих принимаемого OFDM сигнала успешное извлечение информационных сообщений, что выполняют после декодирования и извлечения информационных сообщений подканалов OFDM сигнала, и затем определяют угловое положение источника OFDM сигнала на основе разностей оценок частот поднесущих принимаемого OFDM сигнала и модуля вектора скорости мобильного приемного пункта

Техническим результатом является определение углового положения источника OFDM сигналов, которое не требует знания действительной частоты излучения ИРИ и применения сложных многоканальных устройств.

Указанный технический результат достигают за счет введения новых операций: измерения и запоминания направления и модуля вектора скорости мобильного приемного пункта, использование в качестве критерия правильности оценки величин частот поднесущих принимаемого OFDM сигнала успешное извлечение информационных сообщений, определения углового положения источника OFDM сигнала на основе разностей оценок частот поднесущих принимаемого OFDM сигнала и модуля вектора скорости мобильного приемного пункта

На фиг. приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ определения углового положения источника OFDM сигналов.

Сочетание отличительных признаков и свойств предлагаемого способа из литературы не известны, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

Способ определения углового положения источника OFDM сигналов реализуется следующим образом:

1 Аналоговый сигнал s(t) от источника OFDM сигналов принимают и преобразуют в цифровую форму одноканальным цифровым приемником.

2 Во время приема и преобразования аналогового OFDM сигнала s(t) измеряют и запоминают значения направления и модуля вектора скорости мобильного приемного пункта.

3 Оценивают количество используемых в принятой реализации OFDM сигнала подканалов R, и величины частот поднесущих принимаемого OFDM сигнала

4 Выполняют синхронизацию частот поднесущих принимаемого OFDM сигнала и частот поднесущих, используемых при демультиплексировании OFDM сигнала с помощью БПФ.

5 Выполняют тактовую синхронизацию для цифровых отсчетов OFDM сигнала.

6 Демультиплексируют подканалы с помощью БПФ.

7 Демодулируют сигналы для каждого подканала, в соответствии с используемой манипуляцией.

8 Декодируют и извлекают информационные сообщения подканалов OFDM сигнала.

9 Используют успешное извлечение информационных сообщений в качестве критерия правильности оценки величин частот поднесущих принимаемого OFDM сигнала

10 Определяют угловое положение источника OFDM сигнала на основе разностей оценок частот поднесущих принимаемого OFDM сигнала и модуля вектора скорости мобильного приемного пункта

Для реализации пункта 1 аналоговый сигнал s(t) от источника OFDM сигналов, как и в способе-прототипе, принимают и преобразуют в цифровую форму в виде комплексных отсчетов s(t_n), с помощью одноканального цифрового приемника OFDM сигналов, расположенного на мобильном приемном пункте. Приемник определяет протокол передачи и помехоустойчивого кодирования обрабатываемых информационных сообщений OFDM сигнала, например (7 - IEEE 802.11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications), (8 - IEEE 802.16 Working Group, IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks), и передает в блок синхронизации необходимое для последующей обработки количество отсчетов N, что соответствует одному кадру. Каждому из стандартов соответствует интервал Δƒ, на который разнесены по частоте соседние мультиплексированные каналы.

Для реализации пункта 2 измеряют и запоминают направление и модуль вектора скорости используя данные навигационной системы мобильного приемного пункта (9 - Ковалев К.Б., Колесников С.С., Строцев А.А., Методика оценки истинного курса подвижного объекта при пеленгации источников радиоизлучения, Сборник докладов 21-й международной научно-технической конференции «Радиолокация. Навигация. Связь» (RLNC 2015), 14-16 апреля 2015, г. Воронеж, т. 3, с. 1540-1549). Направление вектора скорости используется в качестве оси, от которой отсчитывается искомая угловая координата β источника OFDM сигнала.

Для реализации пункта 3 оценивают количество используемых в принятой реализации OFDM сигнала подканалов R и величины частот поднесущих принимаемого OFDM сигнала с помощью алгоритма частотной синхронизации OFDM сигналов (10 - Schmidl Т.М., Сох D.С. Robust frequency and timing synchronization for OFDM. IEEE Trans, on Comm., Vol. 45. 1997.).

Для реализации пункта 4 выполняют синхронизацию частот поднесущих принимаемого OFDM сигнала и частот поднесущих, используемых при демультиплексировании OFDM сигнала с помощью БПФ. При выполнении частотной синхронизации, как и в способе-прототипе, используется интерполяционный базис Котельникова, в котором учитывается ограниченное количество слагаемых 2Р+1 (например Р=16):

где t_p - моменты времени, выбранные аналого-цифровым преобразователем (АЦП) для оцифровки сигнала t_n=n/ƒ_S;

- моменты времени, которые соответствуют режиму, синхронизированному по частотам поднесущих принимаемого OFDM сигнала и частотам используемых при демультиплексировании OFDM сигнала с помощью БПФ, причем r вычисляется как остаток от деления номера цифрового отсчета k на количество подканалов R, увеличенное на единицу, K - число комплексных отсчетов сигнала, соответствующих одному кадру. Величина M=K/R - соответствует количеству OFDM символов в одном кадре обрабатываемого OFDM сигнала.

Для реализации пункта 5 выполняют тактовую синхронизацию для цифровых отсчетов OFDM сигнала, как и в способе-прототипе, используя специальный канал синхронизации при его наличии в OFDM сигнале или с помощью алгоритма тактовой синхронизации, который основан на минимизации интерференционных помех [6], [10].

Для реализации пункта 6 демультиплексируют подканалы с помощью БПФ:

где j - мнимая единица;

t_m+r - момент времени взятия m комплексного отсчета обрабатываемого фрагмента OFDM сигнала для r подканала.

Для реализации пункта 7 демодулируют сигналы для каждого подканала, в соответствии с используемой манипуляцией с помощью программных или аппаратных демодуляторов, так как после реализации пункта 6 сигнал S(t_m+r) представляет собой R независимых подканалов с фазовой, амплитудной или амплитудно-фазовой манипуляцией.

Для реализации пункта 8 декодируют и извлекают информационные сообщения подканалов в соответствии с протоколом передачи и помехоустойчивого кодирования информационных сообщений OFDM сигналов. При реализации пункта 8 оценивают и запоминают значение вероятности битовой ошибки.

Для реализации пункта 9 используют успешное извлечение информационных сообщений в качестве критерия правильности оценки величин частот поднесущих принимаемого OFDM сигнала Оценка величин частот поднесущих принимаемого OFDM сигнала считается верной, если вероятность битовой ошибки в информационных сообщениях не превышает заданную величину, например, 10^-3.

Для реализации пункта 10 определяют угловое положение источника OFDM сигнала на основе разностей оценок частот поднесущих принимаемого OFDM сигнала и модуля вектора скорости мобильного приемного пункта Угол отсчитывается от направления вектора скорости Таким образом, совокупность разностей оценок частот поднесущих образуют вектор первичных пространственно информационных параметров (ППИП) и представляет собой решетку в пространстве частот. Для определения углового положения источника OFDM сигнала можно воспользоваться существующим математическим аппаратом линейных антенных решеток для определения угловых положений источников сигналов, за счет его обобщения на случай решетчатых структур в пространстве частот поднесущих OFDM сигнала. Рассмотрим, например, метод корреляционного интерферометра [4], в случае обобщенных решеток в пространстве значений частот поднесущих принятого OFDM сигнала.

В этом случае оценка углового положения источника OFDM сигнала ИРИ формируется, в общем случае, на основе определения максимума пеленгационного рельефа D(β):

При этом пеленгационный рельеф рассчитывается по формуле:

где Т - обозначение операции транспонирования;

- обозначение нормы;

- вектор ППИП;

B(β)-(b₁(β), …b_R-1(β))^T - транспонированный вектор опорного пространственного сигнала, который рассчитывается по формуле:

где с - скорость распространение электромагнитных волн.

Практическая реализация процедуры определения максимума пеленгационного рельефа описана в статье (11 - Аверьянов А.В., Ломанцова Ю.А., Сторцев А.А., Сухенький И.А., Двухэтапный алгоритм работы многоканального корреляционно-интерферометрического пеленгатора, Общие вопросы радиоэлектроники. Ростов-на-Дону: ФГУП «РНИИРС», 2016, Вып. 1, с. 35-49).

Предлагаемый способ имеет следующие отличительные признаки в последовательности его реализации от способа-прототипа, которые представлены в таблице 1.

Из представленной таблицы 1 сравнения последовательностей реализации способа-прототипа и предлагаемого способа видно, что в предлагаемом способе, относительно способа-прототипа, дополнительно оценивают величины частот поднесущих принимаемого OFDM сигнала и частот поднесущих, используемых при передаче OFDM сигнала, и используют их после успешного извлечения информационных сообщений, что является критерием правильной оценки частот, в качестве первичных пространственно-информационных параметров, выполняют определение углового положения источника OFDM сигнала.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, изображена на фигуре. В состав устройства входят:

01 - радиоприемное устройство (РПУ);

02 -навигационная система (НС);

03 - блок системы синхронизации (БСС);

04 - блок демультиплексирования OFDM сигналов (БДОС);

05 - блок демодуляции (БД);

06 - декодер (Д);

07 - блок определения углового положения (БОУП);

08 - блок обработки информационных сообщений (БОИС).

Устройство представляет собой последовательно соединенные блоки обработки OFDM сигналов: РПУ 01, БСС 03, БДОС 04, БД 05, Д 06, БОИС 08. Дополнительно второй выход РПУ 01 соединен с НС 02, выход которой связан с первым входом БОУП 07, на второй вход которого поступают измеренные разности частот поднесущих принимаемого OFDM сигнала со второго выхода БСС 03, на третий вход БОУП 07 поступает сигнал успешного извлечения информационных сообщений с выхода БОИС 08. На выходе БОУП 07 формируются искомые угловые координаты источника OFDM сигналов.

Устройство работает следующим образом: РПУ 01 представляет собой одноканальный цифровой приемник, который преобразует в цифровую форму аналоговый сигнал от источника OFDM сигналов, и передает цифровые комплексные отсчеты сигнала в БСС 03, а также команду для регистрации направления и модуля вектора скорости мобильного приемного пункта в НС 02. В БСС 03 оценивается количество используемых в принятой реализации OFDM сигнала подканалов R и величины частот поднесущих принимаемого OFDM сигнала и выполняется синхронизация по частотам подканалов, а также осуществляется тактовая синхронизация. Преобразованные цифровые отсчеты далее поступают в БДОС 04, где демультиплексируются подканалы с помощью БПФ и затем поступают в БД 05, где осуществляется демодуляция, далее демодулированные подканалы OFDM сигнала поступают в Д 06, где выполняется декодирование, полученные битовые потоки декодированных подканалов OFDM сигнала далее поступают в БОИС 08, где происходит извлечение информационных сообщений. В БОИС 08 дополнительно оценивается вероятность битовой ошибки, и если она не превышает заданную величину, например 10^-3, то на третий вход БОУП 07 поступает команда выполнения оценки углового положения источника OFDM, отсчитываемого от направления вектора скорости мобильного приемного пункта сигнала на основе модуля этого вектора, который получен от НС 02 и значений разностей частот, которые поступают от БСС 03 на второй вход БОУП 07, на выходе которого сформирована оценка углового положения источника OFDM сигналов.

Таким образом, предлагаемый способ, относительно способа-прототипа, позволяет определить угловое положение источника OFDM сигналов.