Квазикогерентный демодулятор фазоманипулированных сигналов

(51)5 Н 041. 27/22 ЕТЕН ЫИ ДЕМОДУЛЛ РОВАННЫХ СИГ дуляция фазона сверхнизе, - "РадиоЯ ф 0 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗО К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(56) Лоскутов В.Ю, и др. Демманипулированных сигналокой промежуточной часттехника", 1987, Гч. 8, с,13 - 15 1758897 А"(57) Сущность изобретеный демодулятор содерфильтры нижнихчастот 35 - 7, полосовой фильтр 8лители частот 10, 11, блосумматоры 16 - 18, интег20, фазовращатель 21. 3Изобретение относится к радиотехникеи связи и может использоваться для демодуляции двоичных фазоманипулиронанныхсигнзлан ФМС),Известны квазикогерентные демодуляторы, в которых формирование опорногасигнала производится с помощью автогенератора, управляемого петлей фазовой автоподстройки частоты, Они обладают высокойпомехоустолчиностью, поте гциальновозможной для данного вида модуляции,Сущест .иным недостатком таких демодуляторов является относительная сложностьпетли ФАПЧ, возможность захвата петлейчастоты помехи, а также потери помехоустойчивости, пропорциональные фазоволашлбке в петле, Крогле того, деглодуляторыс сЮПЧ хзрзктеризу,отся увеличенным временем вхождения в синхронизм (время захвата). Эта затрудняет их применение вгфакетцых радиосетях, в спутниковых сетяхс временным разделением абонентонИзвестны квазикогерегтные демодуляторы ФМС с цепями пассивной фильтрацииопорных колебаний, например, путем удвоения чзстогы с последующим ее делением.Их преимуществом является простота, устойчигзость работы, малое время вхождениян сицхронизгл. Недостатками являютсясложность получения узкой полосы пропускания апорцата тракта нз высоких частотах и связанные с. этим потерипомехоустойчивости, Кроме того, для пе-рестройки демодулятора в диапазоне частот необходима сопряженная перестройкаопорного тракта,Известен также кназикогерентныйкнадрзтурный демодулятор дискретных сигналов с разомкнутым устройствам фазовойсинхронизации, Для его перестройки необходима лишь перестройка высокочастотного гетерадина, однако работа на "нулевой"промежуточной частоте позволяет выделить Опорные колебания только с пОмощьюмикропроцессорных средств, так как требует реализации сложных вычислительныхпроцедур, Вследствие ограниченного быстродействия такие демодуляторы пока необеспечивают работу н реальном масштабевремени.Наиболее близким к изобретению является демодулятор ФМС, содержащий гетеродин, днз канала обработки сигнала,сумматор, интегратор и опорный тракт, причем каждый из каналов обработки сигналасостоит из последовательно включенныхсмесителя, фильтра нижних частот (ФНЧ) иперемножителя, при этом входы каналовобработки обьединены и являются входамдемодуляторз, выходы кацапов обработки подключены к сумматору; выход которогосоединен со входом интегратора, колебаниягетеродина подаются на смесители со сдвигом фаз на 90 О, а опорный тракт состоит из5 третьего перемножителя, компаратора,трех паласовых фильтров (ПФ) и двух делителей частоты, причем входы третьего перемножителя подключены к выходам ФНЧ, авыход через первый ПФ подключен к входу10 компаратора, прямой выход которого черезпервый делитель частоты и второй ПФ, аинверсный выход через второй делитель частоты и третий ПФ подключен к вторым входам перемножитепей каналов обработки15 сигнала, при этом выход первого делителячастоты подключен к второму входу второгоделителя частоты,. Достоинством этого демодулятора яв. ляется простота выделения опорного коле 20 бания, так как благодаря квадратурномупостроению разность частот сигнала Гс игетеродина тг может быть выбрана скольугодно малой, в том числе меньшей вириныспектра сигнала, Необходимо лишь соблю 25 децие условия 1 с - 1 гЛ 1 п, где ЬГп -нестаблльность частоты канала связи, Работа всех элементов опорного тракта нз"сверхнизкой" промежуточной частоте позволяет производить деление частоты с па 30 мощью обычных цифровых делителейтриггеров). На низкой частоте также легкоформируется сколь угодно узкая полосапрапускания опорного тракта, цзпример, спомощью активных фильтров на операци 35 онных усилителях, что обеспечивает высокое отношение сигнал - шум в опорномтракте,Недостатком прототипа является повышенное влияние на его помехоустойчивость40 фазовых ошибок, обусловленных неидеальнастью опорного тракта, Как известно,фазовые ошибки опорного тракта складываются из случайных (дрожание фазы), обусловленных влиянием шумов, и статических,45 вызванных влилнием фазочастотцых характеристик опорного тракта при нестабильностях частоты, Уменьшение полосыпрапускания опорного тракта приводит кснижению дрожания фазы, однако увеличи 50 вдет статическую ошибку, тзк кзк возрастаег крутизна фазочастотнай характеристикиопорного тракта. Так, в прототипе второй итретий Г 1 Ф используются только дпя выделения первой гармоники из прямоугольных55 колебаний, получаемых на выходах делителей частоты. Известно, что н кнадратурномдемодуляторе ФМС допустимая величинастатической фазовой ошибки0, /га 11)Гс ( г )10 готкуда От = 20 19 (уст,+ 1), дБ; где Осев потери помехоустойчивости.Например, если в качестве второго и третьего ПФ применить одиночные колебательные контуры с полосой пропускания 2 Л 1 то их фазочастотная характеристика имеет видф (Л 1 н) = эгсея (Л 1 н/Л Ю), (2) где Л н - отстройка от центральной частоты,Если даже 2 Л 1 к = 8 Лтн, т.е, полоса пропускания в восемь раз превышает нестабильность частоты, величина фазовой ошибки составит рот = агстц (1/4) = 0,245 рад, а соответствующие потери Ост = 209 (0,245 + 1) = 1,9 дБ. При более сложных фильтрах эти потери будут еще больше.Значительно уменьшить эти потери можно за счет исключения второго и третьего ПФ и введения элементов, формирующих прямоугольные опорные колебания специальной формы,Целью изобретения является повышение помехоустойчивости квазикогерентного демодулятора ФМС со сверхнизкой промежуточной частотой за счет устранения влияния статической фазовой ошибки,Поставленная цель достигается тем, чтов прототипЕ исключены второй и третий ПФ, при этом введены второй и третий сумматоры, два блока задержки на Т/16 и два блока задержки на Зфб, где Т - период опорного сигнала. Выход первого делителячастоты соединен с входами первых блоков задержки на Т/16 и ЗТ/16, прямой выход второго делителя частотЫ - с входом второго блока задержки на Т/16, а инверсный выход - с входом второго блока задержки наЗТД б, выход которого и выход первого блоказадержки на Т/16 соединены с входами второго сумматора, выход которого соединен с вторым входом первого перемножителя, а выходы второго блока задержки на Т/16 ипервого блока задержки на ЗТ/16 соединены с входами третьего сумматора, выход которого соединен с вторым входом второго перемножителя.На фиг.1 приведена функциональнаясхема демодулятора; на фиг,2 - временные диаграммы его работы; на фиг.3 - схема принципа формирования прямоугольных опорных колебаний.Устройство (фиг.1) содержит первый ивторой смесители 1 и 2, первый и второй ФНЧ 3 и 4; первый-третий перемножители 5-7; полосовой фильтр 8, компаратор 9, первый и второй делители частоты 10 и 11, первый и второй блоки задержки на Т/16 12 и 13, пер 10 15 20 25 30 вый и второй блоки задержки на ЗТ/16 14 и 15, первый-третий сумматоры 1 б - 18, интегратор 19, гетеродин 20 и фазовращатель 21.Устройство работает следующим образом.Исходный фазоманипулированный радиосигнал на входе демодулятора имеет вид фиг.2 а, Квадратурные сигналы Ос(1) и О на выходах ФНЧ 3 и 4 представлены на фиг.2 б,в. Поскольку разность частот сигнала и гетеродина в таком демодуляторе меньше, чем ширина спектра сигнала, то период разностной частоты больше, чем период фазовой манипуляции (смены полярностей) двоичных символов, что видно из фиг.2 б,в, Перемножением квадратурных составляющих в перемножителе 7 и фильтрации в полосовом фильтре 8 выделяется удвоенная разностная частота (фиг,2 г), из которой на прямом и инверсном выходах компаратора 9 формируются прямая и инверсная последовательности типа "меандр", После деления частоты делителями 10 и 11 из них образуются последовательности Оф) и О (фиг.2 д,е), сдвинутые по фазе на 90 (четверть периода разностной частоты), Сопоставление фиг.2 б.д и фиг.2 в,е показывает, что эти последовательности синфазны огибающим .квадратурных сигналов. Если бы делители 10 и 11 работали независимо друг от друга, то вследствие неопределенности фазы на 180 О при делении частоты последовательности фиг.2 д,е могли бы отличаться по фазе на +90 О, что нарушило бы нормальную работу демодулятора. Дпя исключения этого явления выход делителя 10 соединен с вторым входом делителя 11: по фронту входного.сигнала делитель 11 устанавливается в то состояние, в котором в этот момент времени находится делитель 10, Этим обеспечивается жесткая фазовая связь между последовательностями: последовательность 2 д опережает на 90 последовательность фиг,2 е, а в случае сбоя работы делителей эта фазовая связь восстановится через период,С помощью блоков задержки 12 - 15 и сумматоров 17 и 18 из последовательностей фиг.2 д,е формируются трехуровневые последовательности фиг.2 ж,з, где длительность положительных и отрицательных импульсов равна ЗТ/8, а длительность промежутков с нулевым уровнем - Т/8. После . перемножения этих последовательностей с соответствующими квадратурными сигналами в перемножителях 5, 6 и сложения их в сумматоре 16 образуются цифровой видеосигнал (фиг.2,и) с переменной огибающей, который поступает на вход решающего устройства (интегратора 19).510 рош = 0.5 (.1 - его)Я,Рассмотрим порядок формирования трехуровневых опорных сигналов и покажем, что это обеспечивает повышение помехоустойчивости демодулятора.Последовательность 01(1) с выхода делителя 10 (фиг.З,а) с помощью блока задержки 12 задерживается на время Т 16, где Т - период опорных сигналов (фиг,З,в), а последовательность Оф) с помощью блока задеро жки 15 - на время ЗТ/16 (фиг.Зб,г), Так как последовательность 02(е) снимаетсч с инверсного выхода делителя 11, то сумматором 17 реализуется операция Оз(Е) О 1(т - Т/16) - 02(С - ЗТ/16), (3) что показано на фиг,Зд;Аналогично сумматором 18 реализуетсяфункция (фиг,З.е) .2004(1) = 0 1(1 - ЗТ/16) + О 2(1 - Т/16), (4) так как блоки задержки. 14 и 13 вносят задержку ЗТ/16 и Т/16 соответственно,Квадратурные сигналы на входах перемножителей .5 и 6 имеют вид О 1(т) ==А(т) соз 2.лт/Т, 02(т) = А(т) зи 2 лОТ. гдеА(т) = +1 - информационный параметр. Таккак опорные сигналы фиг.Зд,е являютсятрехуровневыми (+1; 0; -1), то огибающая 30результирующего сигнала на выходе сумматора 16 изменяется по периодическому закону с периодом Т/4 (см. фиг,Зж), Поэтомудостаточно рассмотреть изменение огибающей на протяжении одного периода. 35На интервале(О; т 1) Оз(т) = 1; 04(е) = О,поэтому Овых = Ос(1) = А(т) соз 2 л 1/Т, На.интервале (т 1; Т/4 - О) Оз(т) = 1, 04(т) = 1,поэтому Овых = Ос(т)+. О(т) =Ч 2 А(т) соз (2 лОТ -- л/4), 40Наконец, на интервале (Т/4 - Е 1; Т/4)Оз(1)=О;04(1)= 1 и Овых = Ов(т)=А(т) з 1 п 2 л т/Т,Рассмотрим среднеквадратическое на. пряжение шума нэ выходе демодулятора,Известно, что если среднеквадратическое 45напр%жение гауссовского шума равно ф, тосреднеквадратические значения его квадратурных составляющих с = в = , Крометого, квадратурные составляющие являются некоррелированными, поэтому среднеквадратическое значение их суммы ф.=2 .Таким образом, на трех рассмотренных интервалах среднеквадратическое значениевыходного шума составляет ф т 2соответственно,55Исходя из принципа работы демодулятора, период изменения огибающей выходного сигнала значительно больше. длительности информационных посылок Тс,поэтому вероятность ошибочного приеманайдем усреднением вероятности ошибкина интервале Т/4тЕа Ь ФЕ тН, р (щс.р(ыс р(цысроВ,5т о оы о , тН Е,Для двоичного фазоманипулированного сигнала рош =0,5(1 -его (, поэтому обозначивААЯ=1 выражение(5) запишем в видеРоа, т 1051-еоЕ(Ьсое - )ЬФа 5 Й еоЕ(ЬсоЖ- - О,ЕЕ+ .тФафь+Мялаяс,Для идеального когерентного демодулятора двоичных ФМС АФгде Л = - отношение сигнэл-шум навходе решающего устройства,Для определения потерь помехоустойчивости подоптимального демодулятора поотношению к идеальному необходимо найти отношение ЬВ, при котором демодуляторы обеспечивают равную помехоустойчивость, для чего прирэвняем выражения (6)и (7)рюш (й) = рош (Ь) (8)Вынося общий множитель, получимтрЕФ+ьеоЕ(ЬаосЕЕтффГеоЕ(Ь).тя-с;Раскладывая интеграл от разности функций как разность интегралов, получим;4 ьам- ;ЕерЕ(Ьсо 2 ЕЕт) ЕЕр-Е,-Е,- еоЕ(Ьсое(щт 1)йргоьтат т- ерЕ(ЬсоаЯЦт)4 Е+еоЕ(Ьсоо(ЮцтаИ (1 О)1(Й Е еоЕЕЬа 1 осИЕт)Я ерЕ (Ьф 1.тя .,Для получения аналитического выражения потерь воспользуемся разложениемфункции егт(х), при этом для малых х можноограничиться первым членом ряда: его(х)20 25 ие (14=Т/ Произведя интегрирование, получим Удобнее выразить отношение мощностей сигналов, поэтому(14) Физический смысл имеет изменение 1 от 0 до Т/8, На интервале (О о Т/8) функция выражения (14) имеет линимум при максимальном значении знаменателя, кого 2 О т 2 й 1 да соз Н - = 1, откуда- = 0Т Т или 11 = /16,Подставляя 11 = Т/16 в выражен ), получим мин = 1,053 или 0,22 дБ.При крайних значениях т = 0 и т 8 получим ц =1,23 или 0,9 дБ.Введенные в прототип элементы обеспечивают получение оптимального значения 1 = Т/16 и соответственно минимум потерь помехоустойчивости, Таким образом, исключение из опорного тракта полосовых фильтров и введение устройств формирования трехуровневых опорных сигналов обеспечивает повышение полехоустойчивости демодулятора за счет устранения влияния статической фазоаой ошибки.Конкретная реал из а ция дан ного устройства ложет быть выполнена на существующей элементной базе: смесители 1 и 2 и гетеродин 20 - на полупроводниковых транзисторах; фазовращатель 21 и линии задержки 12 - 15 - на ЕС-звеньях, Остальные элементы удобнее реализовать на основе аналоговой и цифровой интегральной схемотехники, так как они являются низкоча 30 35 40 45 50 55 стотными. Фильтры 3, 4, 8 - на активных КС-звеньях, компаратор 9, сумматоры 16- 18, интегратор 19 - на основе операционных усилителей, например, серий 140, 154, Перемножители 5 - 7 - на основе аналоговых прецизионных перемножителей 525 ПС 2, делители 10 и 11 - триггерные, например, серий 155, 176.Формула изобретения Квазикогерентный демодулятор фазоманипулированных сигналов, содержащий последовательно соединенные первый смеситель, первый фильтр нижних частот, первый перемножитель, первый сумматор и интегратор, выход которого является аыходом квазикогерентного демодулятора, последовательно соединенные второй смеситель, второй фильтр нижних частот и второй перемножитель, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, первые входы смесителей соединены и являются входом каазикогерентного демодулятора, выход гетеродина соединен с вторым входом первого смесителя и через фазовращатель на 90 - с вторым входом второго смесителя, выходы фильтров нижних частот соединены с входами третьего перемножителя, выход которого через поло- совой фильтр соединен с входом компаратора, прямой выход которого соединен с входом первого делителя частоты, а инверсный выход - с первым входом второго делителя частоты, второй вход которого соединен с выходом первого делителя частоты, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения помехоустойчивости путем устранения влияния статической фазовой ошибки, введены два блока задержки на Т/16 (где Т - период опорного сигнала), даа блока задержки на ЗТ/16, второй и третий сумматоры, причем выход первого делителя частоты соединен с входами первых блоков задержки на Т/16 и ЗТ/16, прямой выход второго делителя частоты соединен с входом второго блока задержки на Т/16, а инверсный выход - с входом второго блока задержки на ЗТ/16, выход которого и выход первого блока задержки на Т/16.соединены с входами второго сумматора, выход которого соединен с вторым входом первого пере- множителя, выходы второго блока задержки на Т/16 и первого блока задержки на ЗТ/16 соединены с входами третьего сумматора, выход которого соединен с вторым входом второго перемножителя.тельский комбинат "Патент", г, Ужго роизводственн Гагарина, 10 Заказ 3013 ВНИИПИ Госу Тираж венного ко 113035, Мо Подписное итета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР ва, Ж, Раушская наб 4/5