Способ декодирования сигнала и устройство декодирования

Изобретение относится к способу и системам управления летательными аппаратами с пункта управления, связанным с декодированием сигнала (команд наведения) с широтно-импульсной модуляцией и частотной манипуляцией гармонического колебания (ШИМ-ЧМн) на борту ракеты, применяемым в оптических линиях связи, а также в теленаведении по оптическому лучу. Технический результат - повышение точности декодирования за счет исключения влияния модуляционных шумов. В способе декодирования сигнала, в котором преобразуют электромагнитное излучение в гармонический сигнал, из отфильтрованного на рабочей частоте гармонического сигнала, превышающего по амплитуде величину выставленного порога пропускания, формируют прямоугольные импульсы, длительность которых определяют удвоенной величиной угла отсечки, а из прямоугольных импульсов выделяют постоянную составляющую; дополнительно преобразованный из электромагнитного излучения гармонический сигнал ограничивают симметрично относительно нуля, усиливают, а затем преобразуют в прямоугольные импульсы со скважностью два, из которых отфильтровывают на рабочей частоте гармонический сигнал. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к способу и системам управления летательными аппаратами с пункта управления, связанным с декодированием сигнала (команд наведения) с широтно-импульсной модуляцией и частотной манипуляцией гармонического колебания (ШИМ-ЧМн) на борту ракеты, применяемым в оптических линиях связи, либо с дополнительной амплитудной модуляцией несущего колебания (ШИМ-ЧМн-АМ) - в аналоговых радиолиниях, а также в теленаведении (управление по лучу).

Известны способ декодирования сигнала и устройство декодирования, основанное на нем [Патент России №2228574, МКИ⁷ H 03 D 1/00, F 42 B 15/01]. Способ декодирования сигнала заключается в фильтровании сигнала на рабочей частоте и выделении постоянной составляющей, при котором выставляют величину порога пропускания для фильтрованного гармонического сигнала меньше амплитуды этого сигнала, но больше максимальной амплитуды помехи, сравнивают сигнал с порогом пропускания, а затем преобразуют гармонический сигнал, превышающий по амплитуде величину порога пропускания, в импульсы прямоугольной формы длительностью (τ_и), равной:

где U_пр - величина напряжения порога пропускания,

U_c - амплитуда гармонического сигнала, сравниваемая с величиной U_пр,

Т - период повторения сигнала, при этом U_пр/U_c=const.

Как следует из [И.С.Гоноровский. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Советское радио, 1977 г., стр.285, рис.8.10], при работе элемента в режиме отсечки гармонический сигнал приобретает импульсную форму, длительность которого определяет удвоенный угол отсечки θ

откуда

Следовательно, длительность импульса прямоугольной формы τ_и определяет величина удвоенного угла отсечки выражение (3), что соответствует выражению (1), т.к. Т=2π.

Известное устройство, реализующее способ, содержит последовательно соединенные приемник и усилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ), а также два идентичных канала, в каждый из которых входят два избирательных фильтра и фильтр нижних частот (ФНЧ), в него введены источник опорного напряжения, а в каждый канал два компаратора, два транзисторных ключа, инвертор и сумматор, при этом выход усилителя с АРУ соединен со входами избирательных фильтров обоих каналов, в каждом из которых выход первого избирательного фильтра соединен с первым входом первого компаратора, выход второго избирательного фильтра соединен с первым входом второго компаратора, выход первого компаратора через первый транзисторный ключ соединен с первым входом сумматора, выход второго компаратора подключен ко входу инвертора, выход которого через второй транзисторный ключ соединен со вторым входом сумматора, а выход сумматора подключен ко входу ФНЧ, при этом вторые входы компараторов из обоих каналов соединены с источником опорного напряжения (сигнала - при цифровой реализации).

Два транзисторных ключа, инвертор и сумматор со своими связями в каждом канале выполняют функцию формирования разностного сигнала на выходе сумматора, поэтому они могут быть представлены в виде единого блока-схемы разности.

Оптическая линия связи имеет большой недостаток, обусловленный большим диапазоном изменения мощности оптического сигнала, поступающего на вход приемника излучения. Причинами этого являются изменения погодных условий, флюктуация атмосферы, наличие пыли, поднимаемой с поверхности земли, и т.д. Кроме того, сам приемник изменяет свою чувствительность к оптическому сигналу под воздействием засветок от факела двигателя, солнца и т.д. Это приводит к тому, что электрический сигнал на выходе приемника изменяется в большом диапазоне (не менее чем на четыре порядка). Во многих случаях имеющее место быстрое изменение амплитуды входного сигнала сопровождается переходными процессами в системе АРУ, что приводит к искажениям сигнала на входах избирательных фильтров.

Таким образом, при наличии модуляционных шумов, т.е. амплитудной модуляцией входного сигнала сигналом помехи с частотами выше сотни герц, на входах избирательных фильтров наблюдаются искажения амплитуды информационного сигнала, что приводит к искажению декодированного сигнала на выходе аппаратуры. Это является недостатком способа декодирования и устройства, реализующего его.

Задачей настоящего изобретения (способа и устройства) является повышение точности декодирования за счет исключения влияния модуляционных шумов.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе декодирования сигнала преобразуют электромагнитное излучение в гармонический сигнал, при котором из отфильтрованного на рабочей частоте гармонического сигнала, превышающего по амплитуде величину выставленного порога пропускания, формируют прямоугольные импульсы, длительность которых определяют удвоенной величиной угла отсечки, а из прямоугольных импульсов выделяют постоянную составляющую; предварительно преобразованный из электромагнитного излучения гармонический сигнал ограничивают симметрично относительно нуля, усиливают, а затем преобразуют в прямоугольные импульсы со скважностью два, из которых отфильтровывают на рабочей частоте гармонический сигнал.

Устройство декодирования, основанное на этом способе, содержит приемник и два идентичных канала, каждый из которых состоит из двух цепочек, а каждая из цепочек выполнена в виде последовательно соединенных избирательного фильтра и компаратора, при этом в каждом канале выходы первого и второго компараторов подключены соответственно к первому и второму входам схемы разности, выход которой подключен ко входу фильтра нижних частот, при этом вторые входы каждого компаратора соединены с источником опорного сигнала; введены последовательно включенные ограничитель, усилитель и триггер Шмидта, выход которого подключен ко входам всех избирательных фильтров, а вход ограничителя соединен с выходом приемника.

В предлагаемом изобретении заявленный способ реализуется следующим образом. Электромагнитное излучение на входе приемника преобразуют в гармонический сигнал, который, например, при амплитуде, большей максимальной величины помехи (например, собственных шумов), начинают ограничивать сверху и снизу симметрично относительно нуля. Затем его усиливают по напряжению и преобразуют с помощью триггера Шмидта в прямоугольные импульсы со скважностью два. Из этих импульсов на рабочей частоте с помощью полосового (избирательного) фильтра выделяют гармонический сигнал. Отфильтрованный (выделенный) на рабочей частоте гармонический сигнал, превышающий по амплитуде величину выставленного порога пропускания, преобразуют в прямоугольные импульсы. Длительность этих импульсов определяет удвоенная величина угла отсечки. Из прямоугольных импульсов выделяют постоянную составляющую, величина которой соответствует длительности пачки импульсов со своей рабочей частотой, являющейся величиной команды.

В случае наличия дополнительной постоянной величины смещения, соответствующего значению половины величины команды, величина постоянной составляющей будет знакопеременной в зависимости от длительности пачки.

Реализацию команд с разными знаками можно осуществить также с помощью двух идентичных цепей, отличающихся частотой настройки избирательных фильтров, в соответствии с которой формируют свой (положительный либо отрицательный) знак команды.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором представлена структурная электрическая схема устройства декодирования, где: 1 - приемник (П), 2 - ограничитель (О), 3 - усилитель (У), 4 - триггер Шмидта (ТШ), 5а, 5б, 5в и 5 г - избирательные усилители (фильтры), настроенные, соответственно, на частоты F₁₁, F₂₁, F₁₂ и F₂₂ (Ф1), (Ф2), (Ф3) и (Ф4) соответственно, 6а, 6б, 6в и 6г - компараторы, соответственно (К1), (К2), (К3) и (К4), 7а и 7б - схемы разности, соответственно (СР1) и (СР2), 8а и 8б - ФНЧ, соответственно (ФН1) и (ФН2), Е₀ - источник опорного сигнала.

Каждая из четырех цепей состоит из последовательно соединенных избирательного фильтра 5а, 5б, 5в и 5г и компаратора 6а, 6б, 6в и 6г соответственно. В каждом канале выходы первого и второго компараторов 6а, 6б и 6в, 6г подключены к первому и второму входам схем разности 7а и 7б, соответственно, а выходы схем разности 7а и 7б соединены, соответственно с ФНЧ 8а и 8б. Вторые входы компараторов 6а, 6б, 6в и 6г из четырех цепей соединены с источником опорного сигнала Е₀. Последовательно включены ограничитель 2, усилитель 3 и триггер Шмидта 4, выход которого подключен ко входам избирательных фильтров 5а, 5б, 5в и 5г из четырех цепей. Вход ограничителя 2 соединен с выходом приемника 1.

Приемник 1, избирательные фильтры 5а, 5б, 5в и 5г, компараторы 6а, 6б, 6в и 6г, схемы разности 7а и 7б и ФНЧ 8а и 8б могут быть выполнены так же, как и в прототипе [Патент России №2228574, МКИ⁷ H 03 D 1/00, F 42 B 15/01]. Ограничитель 2 может быть выполнен, например, на операционном усилителе, в цепь отрицательной обратной связи которого включены два параллельно включенных (разными направлениями проводимости) диоды, имеющие идентичные вольт-амперные характеристики. Усилитель 3 - обычный линейный усилитель сигнала по напряжению. Триггер Шмидта 4 представляет собой компаратор с небольшой величиной гистерезиса [Л.Фолкенберри. Применение операционных усилителей и линейных ИС. - М.: Мир, 1985 г., стр.345, 346, рис.11.2].

Устройство работает следующим образом. Оптический сигнал, модулированный ШИМ-ЧМн, поступает на вход приемника 1, преобразуется в электрический сигнал и усиливается малошумящим усилителем в полосе принимаемых частот, соответствующим минимальному и максимальному значениям частоты сигнала ЧМн. Этот сигнал поступает на ограничитель 2, который имеет нижний и верхний уровни ограничения. Если амплитуда сигнала меньше уровней ограничения, сигнал не ограничивается, а в случае превышения - симметрично ограничивается сверху и снизу.

Усилитель 3 усиливает этот сигнал, и далее он поступает на вход триггера Шмидта 4. Форма и величина амплитуды сигнала на входе триггера Шмидта 4 изменяется с изменением амплитуды сигнала на входе ограничителя 2. Однако триггер Шмидта 4 формирует на выходе сигнал прямоугольной формы со скважностью два и постоянной амплитудой. Этот сигнал поступает на входы избирательных фильтров 5а...5г, каждый из которых настроен на свою частоту F₁₁, F₂₁, F₁₂ и F₂₂ и выделяет из сигнала ШИМ-ЧМн сигнал ШИМ, модулированный, соответственно, своей частотой. Длительность ШИМ сигнала - величина команды, наличие в ней сигнала с частотами F₁₁, F₂₁, F₁₂ и F₂₂ - соответственно, знак команды и принадлежность ее к первому ("Z") или второму ("Y") каналам.

ШИМ сигнал представляет собой пачки синусоидального сигнала, т.е. первые гармоники, выделенные избирательными фильтрами 5а...5г из прямоугольных сигналов со скважностью два. Эти пачки сигналов поочередно поступают на соответствующие компараторы 6а...6г. Поскольку амплитуда этого сигнала превышает уровень срабатывания компараторов (задается источником опорного сигнала Е₀), то на их выходах образуются пачки прямоугольных импульсов с частотами соответственно F₁₁, F₂₁ И F₁₂, F₂₂.

Схема разности 7а суммирует с разными знаками сигнал с частотами F₁₁ и F₂₁. Суммарный сигнал поступает на ФНЧ 8а, который выделяет постоянную (медленно меняющуюся) составляющую сигнала в первом канале. Аналогично и во втором канале для частот F₁₂ и F₂₂.

Следовательно, на двух выходах устройства сформируются два сигнала, которые соответствуют двум координатам ("Z" и "Y"), например, в приемной части системы теленаведения по лучу, при этом величина этого сигнала прямо пропорциональна отклонению объекта относительно нуля координат.

Как следует из изложенного выше, триггер Шмидта 4, формируя прямоугольные импульсы со скважностью два (величина амплитуды первой гармоники 1,27 от амплитуды прямоугольных импульсов), убирает изменение амплитуды входного сигнала, обусловленное амплитудной паразитной модуляцией.

Уровни ограничения ограничителя 2 выбирают, в основном, исходя из условий обеспечения симметричности ограничения гармонического сигнала (сверху и снизу) и защиты усилителя 3 от большой амплитуды сигнала (перегрузки), т.к. асимметричность ограничения амплитуды сигнала и нелинейные (асимметричные) искажения, вызываемые перегрузкой по входу усилителя, приводят к появлению постоянной составляющей, приводящей к изменению скважности сигнала на выходе триггера Шмидта 4, зависящей от величины амплитуды сигнала с выхода приемника 1.

Следовательно, в способе декодирования сигнала за счет того, что преобразованный из электромагнитного излучения гармонический сигнал ограничивают симметрично относительно нуля, усиливают, а затем преобразуют в прямоугольные импульсы со скважностью два, из которых отфильтровывают на рабочей частоте гармонический сигнал, повышена точность декодирования за счет исключения влияния модуляционных шумов.

Введение в устройство декодирования последовательно включенных ограничителя, усилителя и триггера Шмидта исключило влияние модуляционных шумов, а значит повысило точность декодирования.

1. Способ декодирования сигнала, заключающийся в преобразовании электромагнитного излучения в гармонический сигнал, при котором из отфильтрованного на рабочей частоте гармонического сигнала, превышающего по амплитуде величину выставленного порога пропускания, формируют прямоугольные импульсы, длительность которых определяют удвоенной величиной угла отсечки, а из прямоугольных импульсов выделяют постоянную составляющую, отличающийся тем, что предварительно преобразованный из электромагнитного излучения гармонический сигнал ограничивают симметрично относительно нуля, усиливают, а затем преобразуют в прямоугольные импульсы со скважностью два, из которых отфильтровывают на рабочей частоте гармонический сигнал.

2. Устройство декодирования, содержащее приемник и два идентичных канала, каждый из которых состоит из двух цепочек, а каждая из цепочек выполнена в виде последовательно соединенных избирательного фильтра и компаратора, при этом в каждом канале выходы первого и второго компараторов подключены соответственно к первому и второму входам схемы разности, выход которой подключен ко входу фильтра нижних частот, при этом вторые входы каждого компаратора соединены с источником опорного сигнала, отличающееся тем, что введены последовательно включенные ограничитель, усилитель и триггер Шмидта, выход которого подключен ко входам всех избирательных фильтров, а вход ограничителя соединен с выходом приемника.