Когерентный приемник частотно-манипулированных радиосигналов с непрерывной фазой

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 171 бб 15 5 Н 04 1 27/14 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Московский авиационный институтим.Серго Орджоникидзе и Научно-исследо-,вательский институт точных приборов(54) КОГЕРЕНТНЫЙ ПРИЕМНИК ЧАСТОТН О-МАН ИПУЛ И РОВАН Н ЫХ РАДИОСИГНАЛОВ С НЕПРЕРЫВНОЙ ФАЗОЙ(57) Изобретение относится к радиосвязи иможет использоваться в системах передачидискретной информации по радиоканалам сжесткими требованиями по ограничениюполосы пропускания. Целью изобретенияявляется повышение достоверности приема Изобретение относится к радиосвязи и может быть использовано в системах передачи дискретной информации по радиоканалам с жесткими требованиями по ограничению полосы пропускания.Известен когерентный приемник, содержащий демодулятор и систему восстановления опорных колебаний с центральной 10 и символьной 1 с частотами. При этом система фазовой,автоподстройки (ФАП) опорной частоты Ь имеет в своем составе два ключевых устройства, управляемых импульсами, формируемыми в системе символьной синхронизации из восстанавливаемого опорного колебания и повышение предельной скорости передачи информации при фиксированной частоте дискретизации радиосигналов. Для достижения цели введены аналого-цифровой квадратурный преобразователь и тактовый генератор с частотой дискретизации, близкой к символьной частоте, и одновременным гетеродинированием входного радиосигнала в область нулевых частот, при реализации системы восстановления опорных колебаний, включающей блоки фазовой автоподстройки частоты и введенную схему регенерации синхроимпульсов и отслеживающей верхнюю и нижнюю частоты передачи дискретных символов информации, спектральные гармоники которых будут расположены в низкочастотной области, а также введены схемы оптимальной обработки с принятием решения о передаваемом сим- Л воле информации по результату накопления энергии принимаемого сигнала на трех символах. 5 ил. символьной частоты 10. Таким образом, существует перекрестная связь между двумя "системами, отслеживающими центральную 1 и символьную 1 с частоты,Известен цифровой когерентный приемник, в котором в процессе восстановле ния опорного колебания на центральной частоте 10 используется восстановленное колебание полусимвольной частоты 1 с/2, и также существует взаимосвязь двух систем синхронизации.Недостатком известных схем когерентных приемников является то, что синхронизм в канале центральной частоты 10 принимаемого сигнала достигается толькоедактор Н.Горват Т Корректор В.Гирняк Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 618 Тираж ПодписноеНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5лишь после вхождения в синхронизм системы символьной синхронизации, стабильность работы которой непосредственным образом зависит от частотной расстройки в канале слежения за центральной частотой 5 10, В известных схемах когерентных приемников имеет место последовательный двумерный поиск по центральной частоте 10 (частоте несущей) и символьной частоте 1 с, что обусловливает наличие перекрестных .1 связей между двумя системами сихронизации при восстановлении необходимых опорных колебаний. Последовательный двумерный поиск по указанным частотам значительно увеличивает время вхожде ния в синхронизм по сравнению с одномерным поиском и создает серьезную проблему вхождения в синхронизм непосредственно по передаваемому информационному радиосигналу, приводя к 2 необходимости периодического включения в передаваемый радиосигнал специальноой синхропреамбулы для быстрого принудительного ввода в синхрониэм обеих систем синхронизации. Эффективность вхождения в синхронизм по специальной синхропреамбуле определяется ее длиной (временным интервалом) и периодичностью ввода в информационный сигнал, т.е. величиной ее удельного по времени содержания в передаваемом радиосигнале. Повышение эффективности такого вхождения в синхронизм снижает скорость передачи полезной информации.Наиболее близким к предлагаемому потехнической сущности является когерентный приемник, который содержит два пере- множителя, два стробируемых интегратора, два решающих устройства, коммутатор, устройство возведения в квадрат входного радиосигнала и систему восстановления опорных колебаний. При этом система восстановления опорных колебаний состоит на двух независимых параллельных систем ФАП на удвоенные верхнюю 21 в и нижнюю 2 Ь частоты передачи символов, спектральные гармоники которых образуются в результате возведения входного радиосигнала в квадрат, и блока регенерации необходимых опорных колебаний. Восстановленные опорные колебания имеют вид: Наличие двух знаков у квадратурных составляющих 1 и О, подаваемых на вторыевходы перемножителей, обусловлено неопределенностью знака, возникающей последеления на две отслеживаемых системами0 ФАП частоты 2 Ьв и 2 Ь,Построение системы восстановленияопорных колебаний на основе двух независимых систем ФАПЧ позволяет реализоватьпараллельный одномерный поиск по часто 5 там 21 в и 21 н и достичь предельно малого длякогерентных приемников частотно-манипулированных радиосигналов с непрерывнойфазой(в частности, ММС-сигналов) временивхождения в синхронизм непосредственно0 по передаваемому информационному радиосигналу, Для данного типа системы восстановления опорных колебаний отпадаетнеобходимость использования синхропреамбулы с целью сокращения времени вхож 25 дения в синхронизм.Так как опорные колебания 1 и С 1 восстанавливаются с неопределенностью знака,то решение о значении символа информации на выходе приемника имеет такую же30 неопределенность. При демодуляции символов информации имеет место эффект обратной работы, Для того, чтобыустранить неопределенность знака (устранить эффект обратной работы), не 35 обходимо дополнительно применятьдифференциальное кодирование и декодирование информационых символов, Такой путь решения проблемы обратнойработы ведет к дополнительному функци 40 ональному и аппаратурному усложнениюмодема ММС-сигналов.Существующая система восстановления опорных колебаний, помимо двух систем ФАПЧ на удвоенных частотах 21 в и 21 н,45 содержит устройство возведения в квадратвходного радиосигнала для образования соответствующих спектрал ьн ых гармоник, отслеживаемых системами ФАПЧ, а такжеделители частоты и смесители, входящие в50 состав блока регенерации необходимыхопорных колебаний. Эти дополнительныефункциональные устройства усложняютреализацию системы восстановленияопорных колебаний, увеличивают неста 55 бильность ее работы и снижают общую аппа ратурную надежность.Построение системы восстановленияопорных колебаний с возведением в квадрат входного радиосигнала существенно за 1 о = 21 вн,1 = + 2 соз(2 л Ьот) соз(2 л 1 ст/4) =,трудняет реализацию всего когерентного приемника полностью в цифровом интегральном виде (например, АЦП и одной универсальной вентильной матрицы, УВМ), так как быстродействие входного АЦП и цифро вой элементной базы для системы восстановления опорных колебаний будет определяться согласно известной теореме Котельникова, максимальной частотой 21 в.1 д 41 в 1 в= 1 о+ 1 с/4, где 1 д - частота "10 дискретизации входного радиосигнала, 1 с - частота передачи информационных символов. Цифровая интегральная реализация ко-. герентного приемника, помимо снижения массо-габаритных параметров конструкции 15 приемника и значительно лучшей технологичности его изготовления, позволяет достичь высокой стабильности оработы всех функциональных блоков когерентного приемника (особенно системы восстановления 20 опорных колебаний и перемножителей) и повысить достоверность принимаемой информации.Учитывая, что структура узкополосного линейного радиотракта, предшествую щего АЦП, требует выполнения условия 1 о.10 ЛР, где Л Р - ширина спектра передаваемого информационного сигнала(для сиг- , налов с ММС Ь Р = 1,5 1 с), предельно возможная скорость передачи информации 30, будет гораздо меньше частоты дискретизации входного радиосигнала; 1 д= 60 1 с35Целью изобретения является повышение достоверности приема и повышение предельной скорости передачи информации при фиксированной частоте дискретизации радиосигналов. .40На фиг. 1 изображена структурная схема когерентного приемника (буквами рус-. ского алфавита а, б, в и т,д. обозначены некоторые точки в структурной схеме когерентного приемника); на фиг. 2 - вариант 45 реализации блока АЦКП на цифровых схе-мах; на фиг. 3 - реализация цифровых систем ФАПЧ; на фиг. 4 и 5 - временные диаграммы сигналов, поясняющие работу когерентного приемника (соответствующие 50 временные диаграммы обозначены русскими буквами).Когерентный приемник частотно-манипулированн.ых радиосигналов с непрерывной фазой (фиг. 1) содержит 55 аналого-цифровой квадратурный преобра- зователь (АЦКП) 1, тактовый генератор Я 2,первый и второй перемножители 3 и 4 (П), первый и второй блоки 5 и 6 фазовой автоподстройки частот(ФАПЧ), первый и второй стробируемые накопители 7 и 8 (СН), последовательно соединенные первый регистр (РЕГ) 9, первый и второй комбинационные сумматоры 10 и 11 (СМ), сумматор 12 по модулю два (М 2) и первый Д-триггер 13 (ТР), последовательно соединенные второй регистр 14, преобразователь 15 прямого кода в дополнительный (ПР), мультиплексор 16 (МПЛ), третий комбинационный сумматор 17 и третий регистр 18, последовательно соединенные четвертый комбинационный сумматор 19, накопительный сумматор 20 (НС), первый элемент ИЛИ 21 и первый и второй блоки 22 и 23 задержки (БЛЗ), а также второй и третий Д-триггеры 24, 25 и второй элемент ИЛИ 26, При этом первый вход АЦКП 1 является входом когерентного приемника, а его первый и второй выходы соединены с соответствующими входами перемножителей 3 и 4, третий и четвертый входы которых соединены с первым и вторым выходами соответственно первого и второго блоков 5 и 6 ЦФАПЧ, первый и второй входы которых соединены с первым и вторым выходами соответствующих пере- множителей 3 и 4, третьи выходы блоков 5 и 6 ЦФАПЧ соединены с первым и вторым входами комбинационного сумматора 19. Второй и третий выходы накопительного сумматора 20 соединены сооответственно со вторым и первым входами элементов ИЛИ 21 и 26, а выход элемента ИЛИ 26 соединен с третьими входами блоков 5 и 6 ЦФАПЧ. Вторые выходы перемножителей 3 и 4 соединены с первыми входами стробируемых накопителей 7 и 8, выходы которых соединены с первыми входами соответственно регистров 9 и 14. Вторье входы стробируемых накопителей 7 и 8 и регистров 9 и 14 соединены с выходом блока задержки 22, выход регистра 14 соединен со вторым входом мультиплексора 16, второй выход которого соединен со вторым выходом комбинационного сумматора 10. Выход регистра 18 соединен со вторым входом комбинационного сумматора 11, выход которого соединен с первым входом Д-триггера 24, выход которого соединен со вторым входом сумматора по модулю два 13. Выход тактового генератора 2 соединен со вторым входом АЦКП, с третьими входами стробируемых накопителей 7 и 8, четвертыми входами блоков ЦФАПЧ и вторым входом накопительного сумматора 20, первый выход которого соединен с первым входом Д- триггера 25, выход которого соединен с третьим входом мультиплексора 16. Вторые входы регистра 18, элемента ИЛИ 26, Д- триггеров 24 и 25 соединены с выходом еве.мента ИЛИ 21, выход регистраЛИ 21, стра 9 соединен понижается тактовая частота работы всегосо вторым входом комбинационного сумма- цифрового приемника, равная частоте дисктора 17, а выход блока задержки 23 соеди-, ретизации входного радиосигнала, и соотнен со вторым входом Д-триггераД- р гера 13 выход ветственно возрастает предельная скоростькоторого является выходом когерентного 5 передачи информации,С выходов, распределителя 30, являюприемника,1 АЦКП иф овыеБлок 1(фиг. 2) содержит аналого-цифро- щихся выходами блока 1 АЦ, ц фрвой прес разовательб т ль 27 (АЦП), Д-триггеры отсчеты квадратурных компонент поступа 28 и 29 (ТР) и распределитель 30.Блоки 5 и 6 (фиг. 3) содержат накопи множителей 3 и 4 (фиг. 1), выполняющихтельные сумматоры 31 и 32 (НС), регистр 33 комплексное перемножение отсчетов вход),Д 34(ТР) реобразователь 35 ного сигнала с отсчетами опорных колебапрямого кода в дополнительный (ПР), циф- ний, отслеживаемых блоками 5 и 6 ФАПЧ.36 (ЦФ) фровой синтеза- Для упрощения структуры комплексных пе 15 ремножителей опорные колебания (при устор 37 отсчетов (ЦС ).Когерентный приемник работает следу- ловии многоуровневого квантованиявходного радиосигнала) могут быть бинар-.ющим образом,В блоке 1 АЦКП входной радиосигнал с ными. С первого и второго выходов блоковцентральной частотои о путемем соответству и 6 отсчеты бинарных опорных колебанийющего выбора частоты дискретиз ци дскретизации Г 20 поступают на третий и четвертый входы пегетеродинируется в низкочастз очастотную об- ремножителей 3 и 4, с выходов которых мниласть и преобразуется в цифровыфровые отсчеты мая и .действительная компоненты( .4 абвг)двух квадратурных компкомпонент, представ- результатов перемножения (фиг. а, б, в, г)ленных в виде двоичного прямого о прямого кода для поступают на первый и второй входы соотположительных и дополнительного кода 25 ветствующихблоков 5 и 6, Возможныйваридля отрицательных отсчетов.тсчетов. Возможный ант реализации блоков 5 и 6 изображен навариант реализации локаб АЦКП показан фиг, 3 и является цифровой реализациейна фиг. 2. В АЦП 27 цифровые отсчеты схемы Костаса с ограничителем в косинусвходного радиосигнала о разобразуются с час- ном (действительном) канале. На выходетотой дискретизации 1 д, выбираемой из 30 преобразователя 35 кодаформируется цифровой код дискриминатора ФАПЧ, поступасоотношенияющий в блок цифрового фильтра 36, над = 41 о/(43(:" 1), выходе которого формируется управляющий код, подаваемый в блок цифрового сиггде К - номер ближайшеи к о гарм н д.армоники 1 . 35 нализатора отсчетов 37, где и происходитПри этом. умножение цифровых тфровых отсчетов синтез бинарных отсчетов опорных колебафазой. Вывходного радиосигнал нгнала на отсчеты синусои- ний с необходимыми частотой и фазой. ыоидального колебаний ходы блока 37 ЦСО являются первым исводится к выделению в канале косинусной вторым выходами блоков 5 исоставляющей четных, а в канале ина але синусной 40 установившемся режиме слежения блоков 5. - нечетных отсчетов входного радиосигнала и 6 цифровой код дискриминатора близок ки инверсии знака каждого второго отсчета в нулю, а управляющий код на выходе цифрообоих каналах, се эти функции, В ф кции выполняет вого фильтра 36 равен определенной постораспределитель 30 по управляющим сигна-лам 01, О 1, 02 и 1 д), формируемым из им Управляющие коды с третьих выходовпульснои поп следовательности тактовых блоков 5 и 6 поступают на входы комбинаимпульсов с частотой следования 1 д двумя ционного сумматора, входящ устоя ейи 28 и 29,Притакомпостроении регенерации синхроимпульсов, со щД-триггерами иммато а 19, накопиблока 1 АЦКП частота дискретизации может из комбинационного суммат рбыть на порядок меньше, чем центральная 50 тельного сумматора 20 и двух элементовчастота спектра входного радиосигнвхо ного радиосигнала, и ИЛИ 21 и 26. Суммарный управляющий код,приближаться по величине к символьной ча- поступающий с выхода комбинационногостоте 1. В результате независимые парад- сумматора 19, циклически накапливается влельные системы ФАПЧ (блоки 5 и 6) будут накопительном сумматоре 20 до моментовотслеживать с точностью дс ю до фазы соответ его переполнения, Первый, второй и третийственно верхнюю и нижнюю чюю частоты пере- выходы накопительного сумматора 20 являдачи дискретных символов ин оинформации, ются выходами его разряда переполнения испектральные гармоники которых будут двух старших разрядов, Уровень "1" появлярасположены внутри чари частотного интерва- ется на выходе разряда переполнения сла (-1 + 1,), Таким образом, существенно частотой,равнойразностиверхней 1 виниж10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ней 1 частот манипуляции входного частотно-манипулированного радиосигнала с непрерывной фазой, причем независимо от его допплеровского смещения и в строгом соответствии с его фазой: б = в - 1 н. Для частотной манипуляции с минимальным сдвигом (ММС) т 1 = М 2 (фиг. 4 а), где Ав частота следования символов информации. На выходе логического элемента ИЛИ 21 синхроимпульсы, также соответствующие появлениюуровня "1", имеют частоту следования 2=2 т 1 - К (фиг. 4 и), а на выходе элемента ИЛИ 26 - частоту 1 з = 411 - 2 с (фиг.4 к). Регенерированные таким образом синхроимпульсы поступают на управляющие входы соответствующих блоков схемы когерентного приемника (фиг, 1). Блоки 22 и 23 задержки служат для согласования моментов прихода синхроимпульсов с временем распространения цифровых отсчетов обрабатываемого сигнала,В стробируемых накопителях 7 и 8 действительные компоненты результатов перемножения входного сигнала и опорных колебаний (фиг. 46, г), поступающие со вторых выходов перемножителей 3 и 4; накапливаются за время, равное длительности передаваемых символов информации, иначе, периоду следования управляющих импульсов сброса (фиг. 4 и). Буферные регистры 9 и 14 служат для хранения накопленных отсчетов сигналов, в промежутках времени между импульсами сброса, обнуляющими стробируемые накопители 7 и 8.Комбинационные сумматоры 10, 11 и 17, мультиплексор 16, регистр 18, сумматор 12 по модулю два и Д-триггер 24 реализуют оптимальный трехсимвольный алгоритм обработки принимаемого сигнала, обеспечивающий минимальную ошибку демодуляции информационного символа. При этом регистр 18 и Д-триггер 24 выполняют функцию блоков задержки на длительность одного символа, функцию порогового устройства выполняет комбинационный сумматор 11, выходом которого является выход его знакового (старшего) разряда, а сумматор 12 по модулю два служит перемножителем цифровых бинарных сигналов, Оценка текущего передаваемого символа информации формируется уже на выходе сумматора 12, но ее точная временная привязка к последовательности синхроимпульсов символьной частоты 1 осуществляется в Д-триггере 13, выход которого является выходом когерентного приемника. Работа описанных блоков иллюстрируется на фиг.4. и 5; временные диаграммы д, е, ж, м-т. С выхода тактового генератора 2 тактовые импульсы с частотой следования, равной частоте дискретизации 1 д, поступают на второй вход блока 1 АЦКП, на третьи входы стробируемых накопителей 7 и 8, на четвертые входы блоков.5 и 6. ФАПЧ и на второй вход накопительного сумматора 20, что необходимо для обеспечения их функционирования,Процесс демодуляции символов информации иллюстрируется временными диаграммами, изображенными на фиг. 4 и 5, где показано полное исключение (в отличие от прототипа) эффекта обратной работы. Перескоки фазы опорных колебаний на к происходят при работе когерентного приемника под воздействием шумовых(помеховых) выбросов, появление которых имеет малую, но, тем не менее, конечную вероятность. Фазовая неопределенность восстановления опорных колебаний приводит к такой же неопределенности знака какой-либо из действительных компонент (фиг, 4 б, в) результатов комплексного перемножения входного сигнала на опорные колебания. На временных диаграммах фиг. 4 и.5 пунктирными линиями изображен процесс демодуляции при перескоке фазы опорного колебания (для примера в блоке 5 ФАПЧ, фиг. 1). Помимо инверсии соответствующей действительной компоненты (фиг, 4 б, д) в соответствии с изменившимся управляющим кодом, поступающим в.третьего выхода блока 5 ФАПЧ.на первый вход комбинационного сумматора 19, изменится и фаза последовательности синхроимпульсов с полусимвольной частотой (фиг. 4 а), что приведет к инверсии (сдвигу фазы) синхросигнала (фиг. 4 к), управляющего работой преобразователя кода 15 и мультиплексора 16, Дальнейший процесс демодуляции показан пунктирными линиями на последующих диаграммах фигур 4 и 5. В итоге последовательность демодулированных информационных символов будет такой же, как и пои отсутствии фазового перескока опорного колебания. Таким образом, в отличие от прототипа, реализованный оптимальный (трехсимвольный) алгоритм демодуляции инвариантен к фазовой неопределенности восстанавливаемых опорных колебаний, т.е. он полностью исключает эффект обратной работы при демодуляции информационных символов. Тем самым существенно повышается достоверность приема дискретной информации,Формула изобретения Когерентный приемник частотно-модулированных радиосигналов с непрерывной12 1116615 45 50 55 фазой, содержащий первый и второй пере- множители, первый и второй блоки фазовой автоподстройки частот и первый и второй стробируемые накопители, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения достоверности приема и повышения предельной скорости передачи информации при фиксированной частоте дискретизации радиосигналов, введены аналого-цифровой квадратурный преобразователь, тактовый генератор, последовательно соединенные первый регистр, первый и второй комбинационные сумматоры, сумматор по модулю два и первый Д-триггер, последовательно соединенные второй регистр, преобразователь прямого кода в дополнительный, мультиплексор, второй комбинационный сумматор и третий регистр, последовательно соединенные четвертый комбинационный сумматор, накопительный сумматор, первый элемент ИЛИ и первый и второй блоки задержки, а также второй и третий Д-триггеры и второй элемент ИЛИ, при этом первый вход аналого-цифрового квадратурного и реобраза вателя я вляется входом когерентного приемника, а его первый и второй выходы соединены с соответствующими входами первого и второго перемножителей,. третий и четвертый входы которых соединены с первыми вторым выходами соответственно первого и второго блоков фазовой автоподстройки частоты, первый и второй входы которых соединены с первым и вторым выходами соответствующих перемножителей, третьи выходы первого и второго волоков фазовой автоподстройки частоты соединены с первым и вторым входами четвертого комбинационного сумматора, второй и третий выходы накопительного сумматора - соответственно с вторым входом первого и первым входом второго элементов ИЛИ,.а выход второго элемента ИЛИ - с третьими входами первого и второго блоков фазовой автоподстройки частоты, вторые выходы 5 первого и второго перемножителей - с первыми входами соответственно первого и второго стробируемых накопителей, выходы которых соединены соответственно с первыми входами первого и второго регист ров вторые входы первого и второго стробируемых накопителей, первого и второго регистров соединены с выходом первого блока задержки, выход второго регистра - с вторым входом мультиплексора, второй вы ход которого соединен с вторыми входамипервого комбинационного сумматора, выход третьего регистра - с вторыми входами второго комбинационного сумматора, выход которого соединен с первым входом 20 второго Д-триггера, выход которого соединен с вторым входом сумматора по модулю два, а вторые входы третьего регистра второго Д-триггера и второго. элемента ИЛИ соединены с выходом первого элемента 25 ИЛИ, выход тактового генератора - с вторым входом аналого-цифрового квадратур- ного преобразователя, с третьими входами стробируемых накопителей, четвертыми входами блоков фазовой автоподстройки 30 частоты и вторым входом накопительногосумматора, первый выход которого соединен с первым входом третьегоо Д-триггера, второй вход и выход которого соединены соответственно с выходом первого элемен та ИЛИ и третьим входом мультиплексора,выход первого регистра - с вторым входом,третьего комбинационного сумматора, выход второго блока задержки - с вторым входом первого Д-триггера, вы ход которого является выходом когерентного приемника;, 5 Принимаемые сглзолы информациио о 4 о о о 1 1 о 1 о Интердрета ия иодов отсчетов: а - ж, м - и. 34