Detection and demodulation of signals with modulation indexes greater than one in radio monitoring of aviation radio communication

Full Text

Введение

Основные требования, предъявляемые к современным авиаперевозкам – безопасность и регулярность. Данные требования невозможно соблюсти без организации процесса управления воздушным движением (УВД), в основе которого лежит связь – обмен информацией между диспетчерской службой и воздушным судном (ВС) [Бондарай и др., 2019; Определение местоположения…, 2021]. При этом связь должна быть бесперебойной, то есть непрерывно обеспечивать возможность сторон осуществлять обмен информацией, что достигается благодаря комплексу мер, включающему в себя поддержание аппаратуры в исправном состоянии и оптимальное использование частотного ресурса [Ерохин и др., 2023; Скрыпник и др., 2014]. Одной из мер, направленных на достижение заданного уровня надёжности для авиационных линий связи (АЛС), является радиоконтроль – процесс выявления мешающих работе систем радиосигналов. Реализуется радиоконтроль посредством радиомониторинга – оперативного анализа электромагнитного поля в данной точке на наличие в нём сигналов, а также их классификация и определение наиболее вероятного источника излучения. Наиболее информативной характеристикой радиосигналов при их классификации является тип модуляции, качественно определяющий радиотехническую систему [Липатников и др., 2018].

Целью работы является разработка алгоритма, позволяющего подразделять сигналы с изменяющейся амплитудой на амплитудномодулированные, балансномодулированные и перемодулированные, а также детектировать данные типы сигналов.

Постановка задачи

В современных радиосвязных системах широкое применение получила амплитудная модуляция. Её использование обусловлено простотой реализации модуляторов и детекторов даже в аналоговых схемах, без осуществления цифровой обработки сигналов (ЦОС). Однако, с развитием программно-определяемых радиосистем (ПОР) открываются перспективы применения более совершенной, с точки зрения энергоэффективности, балансной модуляции (БМ), ранее не применяемой ввиду сложности реализации модуляторов и детекторов для таких типов сигналов в аналоговых схемах [Туринцев и др., 2022].

В то же время остаётся актуальным вопрос детектирования сигналов с балансной модуляцией, так как схемы, построенные по принципу прямого преобразования, требуют точного восстановления частоты несущей, что не всегда возможно, особенно на подвижных объектах из-за эффекта Доплера. В отдельных случаях в информационном сигнале может присутствовать постоянная составляющая, что может приводить к перемодуляции сигнала. Это может происходить как по причине какой-либо неисправности на передающей стороне, так и из-за специфики информационного сигнала. Соответственно, при построении детекторов БМ сигналов немаловажным является возможность выявить и демодулировать перемодулированный сигнал без искажения информации.

В системах радиоконтроля автоматизация процесса определения типа модуляции исследуемого сигнала является одним из наиболее важных направлений в развитии средств радиомониторинга [Межетов и др., 2017; Патрикеев, 2016]. В совокупности с определением несущей частоты, определение типа модуляции позволяет автоматически выдвинуть гипотезу о принадлежности исследуемого сигнала к той или иной радиотехнической системе, что существенно снижает нагрузку на оператора средства радиоконтроля. Однако, конечным критерием для определения назначения источника исследуемого сигнала служит передаваемая им информация, поэтому помимо определения типа модуляции и несущей частоты для средства радиомониторинга важно также быть способным демодулировать любые сигналы, которые возможно принять. Ввиду этого демодуляция перемодулированных и балансномодулированных сигналов, а также определение явления перемодуляции являются актуальной задачей в сфере создания систем автоматизированного радиоконтроля.

Анализ влияния перемодуляции на БМ и АМ сигналы

Эффект перемодуляции возникает тогда, когда модулирующее колебание при амплитудной модуляции меняет свой знак [Оценка эффективности…, 2012]. В этом случае происходит смена фазы высокочастотного заполнения модулированного сигнала на 180 градусов, что приводит к частичной компенсации энергетики несущего колебания и в спектре отображается как уменьшение модуля гармоники на несущей частоте. При этом, если добиться полного отсутствия постоянной составляющей в информационном сигнале, т.е.

 $\underset{0}{\overset{t_k}{\int }}i\left(t\right)dt=0$,   (1)

где  – информационный сигнал, t_k – длительность сообщения, то энергетика высокочастотного заполнения без смещения фазы будет численно равна энергетике заполнения со смещением фазы на 180⁰, что приведёт к полной компенсации несущего колебания в сигнале. Полученный сигнал называют балансномодулированным, и в сравнении с АМ сигналом, БМ сигнал, занимая ту же полосу частот, выигрывает с точки зрения затрачиваемой на его передачу энергии, так как передатчик не излучает не содержащую никакой информации гармонику на несущей частоте. На практике добиться выполнения условия (1) для реальных сигналов невозможно, и в балансномодулированном сигнале на несущей частоте всегда будет присутствовать малая по амплитуде гармоника, по величине которой можно косвенно судить об исправности передающей системы [Карелин, 2021].

В системах связи, основанных на балансномодулированных сигналах, явление глубокой перемодуляции является нормальным и не нарушает работу системы. Для систем, использующих амплитудную модуляцию, это явление является пагубным, так как при нём типовой амплитудный детектор не способен восстановить информационный сигнал.

С целью определения степени влияния перемодуляции на детектируемый сигнал было проведено моделирование в программной среде LabView [Сергеев, 2020]. На рисунках 1-5 приведены искажения во временной и частотной областях, получаемые при детектировании перемодулированного сигнала с различными глубинами модуляции. Тестовый сигнал – случайно сгенерированный спектр в диапазоне 300 – 700 Гц, имитирующий речевое сообщение.

 

Рисунок 1 – Глубина модуляции 1, искажений нет

 

Рисунок 2 – Глубина модуляции 1.4, искажения незначительны, восприятие речи возможно

 

Рисунок 3 – Глубина модуляции 2, заметные искажения сигнала, восприятие речи затруднено

 

Рисунок 4 – Глубина модуляции 2.8, спектр сигнала искажён, энергетика перераспределилась в область более высоких частот, восприятие речи невозможно

 

 

Рисунок 5 – Глубина модуляции 5, сигнал близок к балансному, энергетика перераспределилась в область более высоких частот, восприятие речи невозможно

 

Исходя из проведённого моделирования, было установлено, что даже незначительная перемодуляция сигнала приводит к полной невозможности демодулировать его при помощи пикового детектора, применяемого в большинстве современных АМ приёмниках. Несмотря на то, что в аналоговых передатчиках получение перемодулированных сигналов маловероятно, в цифровых системах, особенно в ПОР, это возможно в случае нарушения работы источника информационного сигнала, например – выхода из строя диодного ограничителя или ошибки в работе программной части радиосистемы. Мониторинг радиосетей и обнаружение перемодуляции в системах передачи информации, использующих АМ сигналы, в таком случае помогут оперативно определить их неисправность, что положительно скажется на общей надёжности данного канала связи [О восстановлении формы…, 2021].

Материалы и методы

В общем виде АМ модуляцию можно представить в виде следующего выражения:

${\text{S(t)}}_{\text{am}}\text{=s(t)}\cdot {\text{sin(w}}_{\text{нес}}\cdot {\text{t+φ}}_{\text{0}}\text{),}$ (2)

где $s\left(t\right)$ – информационный сигнал, $w_{нес}$ – угловая частота несущего колебания, ${\phi }_0$ – начальная фаза несущего колебания [Баженов и др., 2019]. Если в сигнале s(t) есть постоянная составляющая, такая, что на всём временном интервале, на котором сигнал определён, функция $s\left(t\right)\ge 0$, то такой сигнал называется амплитудномодулированным. Если это условие не выполняется, то перемодулированным. Если же выполняется условие (1), то сигнал является балансномодулированным. В то же время следует обратить внимание на то, что все три типа модуляции представляются одинаковым выражением – в виде произведения информационного сигнала на несущее гармоническое колебание. Тогда будет справедлива следующая запись:

${\text{S(t)}}_{\text{am}}\text{=0}$ при  $\text{s(t)=0}\vee {\text{sin(w}}_{\text{нес}}\cdot {\text{t+φ}}_{\text{0}}\text{)=0}.$ (3)

Очевидно, что при амплитудной модуляции полученный сигнал будет принимать значение 0 только при смене полупериода несущего колебания. В то же время, в случае с перемодулированным или балансномодулированным сигналами, функция $S{\left(t\right)}_{am}$ будет равна 0 в том числе и при переходах через ось времени информационного сигнала $s\left(t\right)$. При этом, фаза высокочастотного заполнения будет изменяться на 180 градусов, так как при переходе через ноль функция  поменяет знак у всего произведения (2). Таким образом, можно сказать, что при смене знака информационного сигнала в случае с перемодулированными и балансномодулированными сигналами будет изменяться полупериод высокочастотного заполнения.

Результаты моделирования и исследования

Для демонстрации данного явления было проведено моделирование в программной среде LabView [Ерохин и др., 2021] сигналов с перемодуляцией. Получено три возможных варианта изменения полупериода высокочастотного заполнения, показанных на рисунках 6.а), 6.б) и 6.в).

 

Рисунок 6.а) – Смена знака информационного сигнала совпадает со сменой знака несущего колебания: результирующий знак произведения (2) не изменяется, и полупериод ВЧ колебания удваивается

 

Рисунок 6.б) – Информационный сигнал за один период несущего колебания изменяет свой знак однократно, эта смена не совпадает со сменой знака несущего колебания: у результирующего колебания обнаружены два уменьшенных полупериода – до и после перехода огибающей через ось времени

 

 

Рисунок 6.в) – Информационный сигнал за один период несущего колебания изменяет свой знак несколько раз: количество уменьшенных полупериодов у результирующего колебания будет вдвое больше числа смен знака у огибающей за данный период несущего колебания

 

Выявленное свойство балансномодулированного сигнала предлагается использовать для определения тех точек в сигнале, после которых полученные значения с амплитудного детектора необходимо брать с обратным знаком, что позволит восстанавливать информационный сигнал на приёмной стороне как у балансномодулированных, так и у перемодулированных колебаний. Структурная схема предлагаемого устройства приведена на рисунке 7.

 

Рисунок 7 – Структурная схема универсального амплитудного детектора

 

Принятый сигнал, перенесённый на промежуточную частоту, подаётся на цепь устройства обнаружения перехода огибающей через ось времени. Этот сигнал представлен на рисунке 8.

 

Рисунок 8 – Попадающий на вход универсального амплитудного детектора сигнал

 

В начале цепи установлен блок функции Хевисайда [Арефьев и др., 2021], предназначенный для выделения из сигнала информации о полупериодах ВЧ заполнения. На рисунке 9 представлена осциллограмма сигнала на выходе с данного блока.

 

Рисунок 9 – Сигнал, получаемый с выхода блока функции Хевисайда: длительность прямоугольных импульсов численно равна длительности положительных полупериодов принимаемого колебания

 

Полученный сигнал с блока функции Хевисайда попадает на вход в блок измерителя длительности следования одинаковых значений функции. Этот блок подсчитывает ширину прямоугольных импульсов, как со значением 1 (положительный полупериод), так и со значением 0 (отрицательный полупериод). Вместе с блоком функции Хевисайда данный блок образует измеритель длительности полупериодов. На выходе с данного блока получается массив данных, значения которого равны длительности полупериодов принимаемого сигнала.

Поскольку при цифровой обработке возникают ошибки, связанные с дискретностью получаемых значений, перед анализом полученный массив точек проходит через пороговое устройство с двойным порогом, в котором устраняются малые флуктуации измеренных значений полупериодов, вызванных дискретностью счёта. Значения, принадлежащие диапазону 0,05 от моды полупериода (считается, что так как несущая частота много больше самой высокой частоты информационного сигнала, то мода от полученного значения полупериодов будет численно равна истинному полупериоду несущего колебания), приравниваются к полученному значению моды. Полученный массив для данного сигнала приведён на рисунке 10.

 

Рисунок 10 – Получаемый набор точек с измерителя полупериодов и визуализация двойного порога

 

После порогового устройства в блоке обнаружения изменения знака огибающей производится анализ длительностей полупериодов. Каждое изменение полупериода в большую сторону, а также каждое второе идущее подряд изменение полупериода в меньшую сторону свидетельствуют о необходимости инвертировать сигнал, получаемый с амплитудного детектора, до следующей точки изменения информационным сигналом своего знака. Определение же конкретного отсчёта, на котором требуется начать инвертировать сигнал с амплитудного детектора, определяется путём суммирования значений длительности полупериодов, обработанных блоком обнаружения изменения знака огибающей. В результате работы данного блока формируется массив точек – набор порядковых номеров тех дискрет, с которых нужно начать инвертировать огибающую с амплитудного детектора. Этот набор точек подаётся как на сам цифровой амплитудный детектор, осуществляющий демодуляцию и инвертирование соответствующих участков сигнала, так и на блок обнаружения перемодуляции. Полученное в результате детектирования перемодулированного сигнала информационное сообщение приведено на рисунке 11.

 

Рисунок 11 – Продетектированный перемодулированный сигнал: в сравнении с огибающей на рисунке 8 наблюдаются минимальные искажения, вызываемые дискретностью обработки сигнала

 

Блок обнаружения перемодуляции представляет собой коммутирующее устройство, два интегратора и устройство оценки и решения. Структурная схема данного блока приведена на рисунке 12.

 

Рисунок 12 – Структурная схема блока обнаружения перемодуляции

 

Коммутирующее устройство, согласно данным с блока обнаружения изменения знака огибающей, поочерёдно коммутирует на соответствующие интеграторы инвертированную и не инвертированную по фазе части сигнала. После окончания работы интеграторов, устройство оценки и решения сравнивает полученные на интеграторах значения, и, если на одном из каналов обнаружен 0, а на другом – конечное численное значение – выдаёт сигнал о наличии амплитудной модуляции. Если же на обоих каналах значение, в пределах заданного диапазона, одинаковое и отличное от 0 – устройство выдаёт сигнал о наличии балансной модуляции. Если же оба значения не равны 0, но в то же время и не равны друг другу – устройство выдаёт сигнал о наличии перемодуляции.

Примечательно также, что описанный выше способ демодуляции сигналов применим, в том числе, и к двухпозиционной фазовой манипуляции (ФМн), что не противоречит описанной выше теории, так как описать такой сигнал можно через выражение (2), где в качестве  будет выступать последовательность импульсов со значениями 1 и -1. Тогда, с точки зрения формирования, такой фазоманипулированный сигнал можно также отнести к разновидности балансномодулированных сигналов, что и объясняет возможность предлагаемой системы его демодулировать. Результат моделирования демодуляции двухпозиционного ФМн сигнала предлагаемым алгоритмом изображён на рисунке 13.

 

 

Рисунок 13 – Результат демодуляции двухпозиционного ФМн сигнала предлагаемым способом

 

Заключение

В рамках программного моделирования предлагаемый способ демодуляции сигналов с подавленной несущей показал свою работоспособность на тестовых сигналах в виде последовательности импульсов и модели речевого сообщения, сгенерированного псевдослучайным образом.

Применение предлагаемого алгоритма в средствах радиомониторинга позволит расширить спектр решаемых радиоконтролем задач, а также увеличить степень его автоматизации, что в совокупности поможет более эффективно использовать частотный ресурс и быстрее выявлять неисправности передающих устройств. В то же время предлагаемый алгоритм подходит и для применения его в качестве детектора в приёмных устройствах, работающих с БМ сигналами, а также позволит восстанавливать информационную составляющую ВЧ сигнала при нарушении нормальной работы АМ передатчиков, что повысит надежность связи и увеличит безопасность полётов в целом.

About the authors

Muslim A. Mezhetov

Moscow State Technical University of Civil Aviation

Author for correspondence.
Email: milsumka@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9509-6169

Irkutsk Branch, Candidate of Physical and Mathematical Sciences

Russian Federation, 664047, Irkutsk, Kommunarov str., 3

Alexey A. Shalaev

Moscow State Technical University of Civil Aviation

Email: alexsnow9999@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-8490-5143

Irkutsk Branch

Russian Federation, 664047, Irkutsk, Kommunarov str., 3

Vladislav P. Churbakov

Moscow State Technical University of Civil Aviation

Email: vlad.churbakov@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0008-0154-0400

Irkutsk Branch

Russian Federation, 664047, Irkutsk, Kommunarov str., 3

References

Supplementary files