Адаптивное устройство разделения неортогональных сигналов двоичной фазовой манипуляции

(19 427/22 САНИЕ ИЗОБРЕТЕН ЕТЕЛ ЬСТ ВТОРСКО(54) АДАПТИВНОЕ УСТРОЙСТВО РАЗДЕЛЕНИЯ НЕОРТОГОНАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ ДВОИЧНОЙ ФАЗОВОЙ МАНИПУЛЯЦИИ (57) Сущность изобретения: устройство содержит три перемножителя (1, 2 и 3), два блока формирования опорных колебаний (4 и 5), три фил ьтра нижних частот (6, 7 и 8), два усилителя-органичителя (9 и 10), два решающих блока (13 и 14), два блока выделения модуля (15 и 16), три компаратора (13), один датчик опорного колебания (20), элемент И (21), аналоговый ключ (19). 1 табл., 6 ил. СССР87 (прототип) тсР/ О ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР1743013 17 Составитель О.ГеллерТехред М.Моргентал Редактор М.Янкович Корректор Н. Ревская Заказ 2296 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 зводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 10Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиосвязи и в других областях, где необходимо обеспечение помехоустойчивого приема взаимомешающих двоичных фазоманипулированных (ФМ) сигналов, Один из кОтО" рых характеризуется прерывистым режимом излучения (дополнительной амплитудной манипуляцией) и является усовершенствованием по авт. св. М 1450131.Известно устройство разделения неортогональных сигналов двоичной фазовой манипуляции, содержащее первый, второй и третий перемножители, первый и второй блоки формирования опорных колебаний, первый, второй и третий фильтры нижних частот, первый и второй усилители-ограничители, первый и второй вычитающие блоки, первый и второй решающие блоки, причем первые входы первого и второго перемножителей объединены с входами первого и второго блоков формирования опорных колебаний и являются входом устройства, выходы первого и второго пере- множителей соединены с входами первого и второго фильтров нижних частот соответственно, выходы первого и второго блоков формирования опорных колебаний соединены с вторыми входами первого и второго перемножителей соответственно, а также соединены с первым и вторым входами третьего перемножителя соответственно, выход которого соединен с входом третьего фильтра нижних частот, выход которого соединен одновременно с вторыми входами первого и второго усилителей-ограничителей, выходы первого и второго фильтров нижних частот соединены с первыми входами первого и второго усилителей-ограничителей соответственно, а также соединены с первыми входами первого и второго вычитающих блоков соответственно, вторые входы которых соединены с выходами второго усилителя-ограничителя и первого усилителя-ограничителя соответственно, выходы первого и второго вычитающих блоков соединены с входами первого и второго решающих блоков соответственно, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами устройства. Известное адаптивное разделения неортогональных сигналов двоичной фазовой манипуляции позволяет эффективно разделить взаимно мешающие фазоманипуляционные (ФМ) сигналы, существенно повышая помехоустойчивость приема, Однако при временном пропадании одного из принимаемых ФМ-сигналов (при его дополнительной амплитудной манипуляции),5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 вероятность ошибки при приеме оставшегося сигнала значительно (на несколько порядков) возрастет. Последнее объясняется тем, что компенсирующее напряжение 01 (Оа) в этом устройстве формируется непрерывно в предположении постоянного присутствия обоих двоичных ФМ-сигналов. Это приводит к ошибкам приема одного сигнала (например, первого) при временном пропадании другого (например, второго).Целью изобретения является повышение помехоустойчивости приема двух взаимно мещающих сигналов двоичной фазовой и амплитудно-фазовой манипуляции путем введения тракта обнаружения амплитудно-фазоманипулированного сигнала.На фиг. 1 представлена структурная схема известного адаптивного устройства разделения неортогональных сигналов двоичной фазовой манипуляции; на фиг. 2 - амплитудная характеристика усилителя-ограничителя для различных значений напряжения 812, представляющего собой коэффициент взаимного развития разделяемых сигналов; на фиг. 3 - то же, для одного значения 812: на фиг. 4 - структурная схема предлагаемого устройства разделения сигналов фазовой и амплитудно-фазовой манипуляции; на фиг, 5 и 6 - зависимости вероятности ошибки приема первого двоичного ФМ-сигнала обычным корреляционным приемником, известным и предлагаемым устройством разделения сигналов фазовой и амплитудно-фазовой манипуляциии. Адаптивное устройство разделения неортогональных сигналов двоичной фазовой манипуляции содержит первый 1, второй 2 и третий 3 перемножители, первый 4 и второй 5 блоки формирования опорных колебаний, первый б, второй 7 и третий 8 фильтры нижних частот, первый 9 и второй 10 усилители-ограничители, первый 11 и второй 12 вычитающие блоки, первый 13 и второй 14 решающие блоки, причем первые входы первого 1 и второго 2 перемножителей объединены с входами первого 4 и второго 5 блоков формирования опорных колебаний и являются входом устройства, выходы первого 1 и второго 2 перемножителей соединены с входами первого б и второго 7 фильтров нижних частот соответственно, выходы первого 4 и второго 5 блоков формирования опорных колебаний соединены с вторыми входами первого 1 и второго 2 перемножителей соответственно, а также соединены с первым и вторым входами третьего перемножителя 3 соответственно, выход которого соединен с входом(4) третьего фильтра 8 нижних частот, выход которого соединен одновременно с вторыми входами первого 9 и второго 10 усилителей-ограничителей соответственно, выходы первого 6 и второго 7 фильтров нижних частот соединены с первыми входами первого 9 и второго 10 усилителей-ограничителей соответственно, а также соединены с первыми входами первого 11 и второго 12 вычитающих блоков соответственно, второй вход вычитающего блока 12 соединен с выходом первого усилителя-ограничителя 9, выходы первого 11 и второго 12 вычитающих блоков соединены с входами первого 13 и второго 14 решающих блоков соответственно, выход первого решающего блока 13 является также первым выходом устройства, дополнительно введенные первый 15 и второй 16 блоки выделения модуля, третий вычитающий блок 17, компаратор 18, аналоговый ключ 19, датчик 20 опорного напряжения, элемент И 21, причем вход первого блока 15 выделения модуля соединен с выходом второго фильтра 7 нижних частот, а выход первого блока 15 выделения модуля соединен с первым входом третьего вычитающего блока 17, второй вход которого соединен с выходом третьего фильтра 8 нижних частот, выход третьего вычитающего блока 17 соединен с входом второго блока 16 выделения модуля, выход которого соединен с первым входом компаратора 18, второй вход которого соединен с выходом датчика 20 опорного напряжения, выход компаратора соединен с управляющим входом аналогового ключа 19, аналоговый вход которого соединен с выходом второго усилителя-ограничителя 10, а аналоговый выход соединен с вторым входом первого вычитающего блока 11, выход компаратора 18 соединен с первым входом элемента И 21, а также является третьим выходом устройства, второй вход элемента И 21 соединен с выходом второ;о решающего блока 14, а выход элемента И 21 является вторым выходом устройства. Устройство работает следующим образом.В основу работы предлагаемого устройства положен принцип обнаружения излучения двоичного ФМ-сигнала, отличающегося преывистым характером излучения, с последующей его компенсацией на выходе,Предлагаемое устройство на текущем тактовом интервале формирует не только компенсирующее напряжение, но и принимает решение о наличии или отсутствии того ФМ-сигнала (например, второго), который 5 10 15 20 25 30 предполагается прерывистым. В конце каждого тактового интервала принимается решение о необходимости осуществления компенсации, а затем, если такая необходимость существует, устройство производит компенсацию мешающего влияния амплитудно-фазоманипулированного сигнала (прерывистого ФМ-сигнала), на непрерывно излучаемый ФМ-сигнал;Пусть на текущем тактовом интервале длительности Т(Т = Ь-Ь), где К = 1, 2, 3,- номер текущего тактового интервала), на входе устройства присутствует аддитивная смесь двух двоичных ФМ-сигналов (-1)"1 . зф( и 0(г 2) 32(т), при этом сигнал 0(г 2)82(т) для определенности будем полагать прерывистым, и белый гауссовский шум п(с)у(т) =(-1)г 1 Я 1(т) + 0(гг)Я 2(т)+ п(т), (1 а) где 31(с) и 32(с) - несущие колебания первого и второго цифровых сигналов соответственно;г 1 = 0,1 и г 2 = 0,2 - их дискретные информационные параметры;0(г 2) - функция дискретного информационного параметра второго (прерывистого) сигнала, введенная здесь для описания его закона манипуляции,0(г 2)= 1, ;г=О;-1, г 2=1;О, г 2=2. (1 б)В целях соблюдения корректности рассуждений далее будем считать, что математическая модель передаточной функции фильтров 6, 7 и 8 нижних частот описывается интегратором со сбросом в моменты времени ь, 1 = 1, 2, 3, .и с коэффициентом передачи, равным 1/Мо, где йо - односторонняя спектральная плотность мощности белого шума п(1). Тогда на выходе первого фильтра 6 нижних частот в конце К-го интервала будет присутствовать напряжение, пропорциональное величинеЬ 1 = (-1)Ъ 12+ 0(г 2)В 12+ п 1. (2) Соответственно, на выходе второго фильтра 7 нижних частот присутствует напряжение, пропорциональное величинеЬ 2 = 0(г 2)п 2 + (-1) В 12+ п 2 (3) В выражениях (2) и (3) приняты обозна- чения Ь 12 = - ;, Ь(т)бт;ЙоЬг = И ЗЦ, 1 Я 2 (С)бС,где Ь и Ь 2 - отношения энергий сигналов Яф) и 32(т) на длительности тактового интервала Т = ск - ткк спектральной плотности мощности Мо белого гауссовского шума п(1):(11) 10 вые случайные составляющие и 1, п 2 на выходах фильтров 6 и 7 нижних частот достаточно малы, чтобы ими с большой .достоверностью пренебречь, кроме того, учтено условие (8). 5Как следствие, полагая, что алгоритмработы решающих блоков 13 и 14 описывается соотношениями1,В О;г = гесс(В) == 1, 2О,ВО;имеет место вывод, что решение г 1 о переданном двоичном символе г 1 зависит от состояния аналогового ключа 19. Еслианалоговый ключ 19 в рассматриваемом 15случае будет замкнут, (т.е, устройство работает как известное), то принятое устройством решение г 1 будет ошибочным (см,столбцы 1 и 10 таблицы).Поэтому необходимо рассмотреть алгоритм работы тракта обнаружения амплитудно-фазоманипулированного сигнала.Иэ выражений (1 б) и (3) следует, что сигнал на выходе второго фильтра 7 нижнихчастот определяется выражением 25Ь 2 = В 12+ п 2,Соответственно на выходе третьего вычитающего блока 17 величину напряженияопределяет выражениеЬ 2-В 12=В 12+п 2В 12=п 2 30следовательно, на первом входе компарато.ра 18 - величинап 2.В соответствии с алгоритмом работыкомпаратора 18 на его выходе будет сформировано напряжение0 , определяемое 35выражением0 = 1, Ь 2 В 12ЕО, 1 Ь 2- В 12Е (12)Величина опорного напряжения компаратора е (е ) О) вьбирается изусловия, что вероятность выполнения неравенствап 2Внепревышает некоторую допустимую величину, определяемую ожидаемыми величинамивероятностей приема дискретных сообщений г 1 и г 2, когда р О. 45Таким образом, на выходе компаратора18 будетсформировансигнал "Лог.О": О==О. Вероятность этого события зависит отвыбора величины я, а также от значений Ь 1,Й 2 и р, как показано. выше. 50Алгоритм работы аналогового ключа 19определяет выражениех, 0 =1;У=О, О =О, 55В рассматриваемом случае О= О,следовательно, аналоговый ключ 19 разомкнут; на выходе аналогового ключа 19сформировано напряжение лог, "0", которое поступает на второй вход первого вычитающего блока 11, на выходе которого будет сформировано напряжение, величина которого определяется выражениемВ 1=Ь 1=п 1 +п 1.2В соответствии с (11), с вероятностью Р приема = Р (п 1 + п 10) первый решающий2блок 13 примет правильное решение г 1 = 0 о значении переданного двоичного символа г 1 = 0 (см. столбцы 1 и 16 таблицы), Если в рассматриваемом случае аналоговый ключ 19 будет замкнут(тракт приема амплитуднофазоманипулированного сигнала отсутствует), тогда с достаточно большой вероятностью Рош = Р(п 1 - В 12+ п 1- п 20)2первый решающий блок 13, напряжение на входе которого оп 2 оеделяется выражением В 1 = Ь 1 - ОО = п 1 - В 12 + п 1 - п 2, приметнеправильное решение г 1 = 1 о значении переданного двоичного символа г 1 = 0 (см, столбцы 1 и 10 таблицы). Большое значение вероятности ошибки Рош = Р (Ь 1 - В 12+ п 12-п 20) определено тем, что в соответствии сусловием(8) п 2 В 12 и В 12п 1 (мгновенная мощность прерывистого сигнала Я 2(т) на 3 дБ или более превышает мгновенную мощность непрерывного сигнала Яф), а п 1 и п 2 достаточно малы в реальных каналах связи в рамках принятых нами условий.Таким образом, предлагаемое устройство в отличие от известного позволяет обеспечить помехоустойчивый прием не только двух двоичных взаимно мешающих фазоманипулированных сигналов, но и прием двух сигналов фазовой и амплитудно-фазовой манипуляции.Работа предлагаемого устройства, по принятию решения г 2 о значении дискретного информационного параметра г 1 = 0,2 прерывистого фазоманипулированного сигнала отличается от работы известного устройства тем, что на выходе второго решающего блока 14, подключенного к второму выходу устройства через элемент И 21, первый вход которого подключен к выходу компаратора 18, который также является третьим выходом устройства, будет сформулирован сигнал "Лог. 0" или "Лог. 1", причем правильность принятия решения г 2определяется значением напряженияОна третьем выходе устройства:г 2 =2, при0=0г 2 (0,1) при0- -1 - определяется значением напряжения на втором выходе данного устройства. Таким образом, значение0= Она третьего выходе устройства соответствует значению дискретного информационного параметра г 2 = 2, т.е. отсутствие излучения второго фазоманипулированного сигнала 32(т), Зна 1743013 12чению0= 1 соответствует значение дискретногоо информационного параметра г 2 = 0.1, определяемое значением напряжения на втором выходе устройства, т,е. "Лог, 0" или "Лог. 1" соответственно,Выполнен численный анализ помехоустойчивости приема двух взаимно мешающих ФМ-сигналов заявляемым устройством. Некоторые результаты расчетов, выполненные с применением ЭВМ, использованы для построения графиков, которые представлены на фиг. 5 и б.Иа фиг. 5 представлены графики для вероятности излучения второго (прерывистого) сигнала Р= 0,98, а на фиг. б - графики для 3 = 0,5, где Р - величина, обратная скважности - частота излучения; Р = 2 Р, где Р - вероятность излучения помехи с одним из двух возможных значений ее дискретного параметра г 2 = 0,1. Расчеты выполнены для значений й 1 = 9,59 дБ и коэффициента2неортогональности0,9, что соответствует вероятности ошибки когерентного приема двоичного ФМ-сигнала в канале беэ второго прерывистого ФМ-сигнала, равной-5Рош = 10, На фиг. 5 и б приведены три зависимости вероятности ошибки приема первого двоичного ФМ-сигнала - обычным корреляционным приемником, адаптивным устройством разделения неортогональных сигналов двоичной фазовой манипуляции, и предлагаемым устройством разделения сигналов фазовой и аплитудно-фазовой манипуляции от величины (отношение мощностей первого и второго (прерывистого) разделяемых ФМ-сигналов, при условии, что прерывистый сигнал излучается),Пунктирными линиями представлены зависимости вероятности ошибки приема двоичного ФМ-сигнала на фоне шума п(т) и мешающего прерывистого ФМ-сигнала классическим корреляционным приемником,Сплошными линиями представлены зависимости вероятности ошибки приема того же сигнала, если применяется предлагаемое устройство разделения сигналов фазовой и амплитудно-фазовой манипуляции и обеспечена оптимизация выбора величины е (фиг, 4) Точечными линиями представлены зависимости вероятности ошибки приема того же сигнала известным устройством,В ходе анализа также установлено, что качество приема является наилучшим, если характеристики первого 9 и второго 10 усилителей-ограничителей имеют плавный характер, т,е, являются сглаженными,Обсудим результаты анализа.Характерным результатом является то,что при переходе второго сигнала к прерывистому режиму излучения, например, от5 3 1, что соответствует постоянному излучению второго ФМ-сигнала, и Р = 0,98 (фиг. 5)или Р = 0,5 (фиг. 6), что соответствует излучению мешающего ФМ-сигнала, в среднемв 2% или 50 времени, соответственно, эф 10 фективность работы известного устройствасущественно снижается (см. точечные кривые на фиг. 5 и фиг. 6), Это объясняется тем,что в известном устройстве в отличие отпредлагаемого тракт формирования ком 15 пенсирующего напряжения 01 остаетсяподключенным к вычитающему устройствунезависимо от наличия или отсутствия второго (прерывистого) сигнала на входе устройства, Таким образом, с вероятностью20 (1-Р) осуществляется ложная компенсацияпомехи, которая не излучается. При этом, какпоказали расчеты, в области дБ ( ; -12),при р= 0,98. вероятность ошибки в известном устройстве увеличивается по сравне 25 нию с предлагаемым от 10 до 2,10 2; а приф= 0,5 вероятность ошибки в известном устройстве увеличивается по сравнению спредлагаемым от 10 до 5,10Тот факт, что при 30,5 и при анализе30 схемы известного устройства вероятностьошибки в приеме первого сигнала сказывается даже больше, чем при обычном корреляционном приеме (рош0,5), позволяетсделать вывод, что при отсутствии второго35 сигнала в схеме известного устройства, имеет место "обратная работа". Действител ь но,из схемы на фиг, 1 и из таблицы видно, чтопри отсутствии помехи выражения (2) и (3)примут вид40 Ь 1=(-1) Ь 1 + п 1:Ь 2 = (-1) Й 12+ п 2Тогда на входе первого решающегоблока 13 (в пред 2 положении, что й 12п 1,2при р -+1 и Ь 2 Ь 1 будутсформированывеличины, знак которых определяется выражениемзадо (-1)(11 й 12 = -здп(-1)д =+1) .Тогда, в соответствии с правилом, описанным соотношением (11), получим реше 50 ние блока 13при г 1 = 0 гесс+1)1 = гесс(-1) = 1;при г 1 = 1 гесс+1)"= гесс(+1) 0т,е, решение с высокой вероятностью (тембольшей, чем больше Ь 1 ) будет принято не 55 правильно,Очевидно, что в случае Р = 0,5 методыотносительного кодирования, напримерОФМ, отмеченный недостаток не устраняют.1743013 13 14 Символы наВьхОДЕ известногоустройства Вапрянениекомпенсации Выход перБОГО Оильтра ниынилчаст. Выход второго фильтра нижнихчастот Капрянения на входахреюаювих блоков в известном устройстве Примечанид Наблюдение навходе устройства Передаваемые сим 222п/п волы 2 2 л се Х ни ке Ьс+ й,е+пе й сп - Ь -Ь +и -и . 022:" Сн 2г.г. -й2и сО влы ринд ты неправСимвол ты неп приня"в,Продолжение Ъ М Вход компаратораВход ком- Напряжение на входа 1 аратора блоков впредлагаемои/ Примечания ешающих стройст Решенияв заявляем,+и - и 0 0 и, -1; - и. Второи вход заявляемого устройст ва Отключен0 Н йус Е Второй вход заявляемого устройства отключен 1 +и с 1 1Ход пунктирных линий на фиг. 5 и 6, соответствующих обычному корреляционному приему первого ФМ-сигнала в условиях мешающего второго (прерывистого) ФМ-сигнала, обусловлен тем, что чем мощ нее второй сигнал, тем ближе вероятность ошибки в приеме первого сигнала к величи-, не 0,5 в тех случаях 1,на тех тактовых интервалах), когда второй сигнал излучался. ДЕйотВИтЕЛЬНО, В 1000)12 СЛуцаЕВ РЕШЕНИЕ 10 корреляционного приемника будет в основном определяться мощным вторым сигналом, если сигналы сходны по структуре (т.е,.1 р -1).Формула изобретения 15 Адаптивное устройство разделения неортогональных сигналов двоичной фазовой манипуляции по авт. св. М 1450131, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения помехоустойчивости приема двух вза имно мешающих сигналов двоичной фазовой и амплитудно-фазовой манипуляции, введены два блока выделения модуля, третий вычитающий блок, компаратор, аналоговый ключ, элемент И и датчик опорного напряжения, выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход которого подключен к выходу второго блока выделения модуля, вход которого подключен к выходу третьего вычитающего блока, первый вход которого соединен с выходом первого блока выделения модуля, вход которого соединен с первым входом второго усилителя-ограничителя, выход которого через аналоговый ключ соединен с вторым входом первого вычитающего блока, при этом второй вход аналогового ключа подключен к выходу компаратора и первому входу элемента И, второй вход которого подключен к выходу второго решающего блока, а выход третьего фильтра нижних частот соединен с вторым входом третьего вычитающего блока.