Устройство для некогерентной демодуляции частотно-манипулированных сигналов с непрерывной фазой
Владельцы патента RU 2308165:
Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Цифровые решения" (RU)
Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в устройствах приема цифровой информации, передаваемой посредством частотной манипуляции сигналов с непрерывной фазой по каналам связи. Устройство содержит последовательно соединенные квадратурный демодулятор и фазовый детектор и последовательно соединенные схему усреднения и декодер, при этом выход фазового детектора, предназначенного для вычисления абсолютных значений фазы сигнала на нулевой частоте, через введенный дифференциатор соединен с входом схемы усреднения, предназначенной для преобразования и усреднения производной фазы, другой вход которой предназначен для подачи стробирующих импульсов со схемы тактовой синхронизации, причем декодер выполнен в виде декодера Витерби. Сущность изобретения заключается в использовании свойства непрерывной фазы частотно-манипулированных сигналов / сигнала на межсимвольных переходах, что позволяет обеспечить технический результат - повысить достоверность демодулированного сигнала. 2 ил.
Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в устройствах приема цифровой информации, передаваемой посредством частотной манипуляции сигналов с непрерывной фазой по каналам связи.
Вопросы демодуляции и выделения тактовой синхронизации частотно-манипулированных сигналов с непрерывной фазой (ЧМНФ-сигналы) в условиях низкого отношения сигнал/шум имеют высокую актуальность и широко исследуются.
Основные проблемы, связанные с демодуляцией и выделением тактовой синхронизации ЧМНФ-сигналов в условиях малых отношений сигнал/шум, обусловлены сглаживанием фазовых межсимвольных переходов при модуляции, благодаря чему достигается высокая эффективность использования канала связи.
Из патентной литературы известны несколько технических решений того же назначения, что и изобретение, но которые не имеют общих с ним признаков (RU 93026909 A, H04L 27/10, 1996 - демодулятор двоичных частотно-манипулированных сигналов; RU 2136114 C1, H04L 27/14, 1999 - демодулятор сигналов с частотной манипуляцией; RU 96118638 - А, H04L 27/10, 1998 - демодулятор некогерентного приемника разнесенных по частоте сигналов; RU 2076458 C1, H04L 27/14, 1997 - демодулятор сигналов с частотной манипуляцией; RU 2211542 С2, H04L 27/14, 2003 - приемник частотно-манипулируемых сигналов; RU 2000121141 A, H04L 27/10, 2002 - приемник дискретных ЧМ сигналов).
Недостатком всех перечисленных выше технических решений является то, что в них не используется свойство непрерывности фазы ЧМНФ-сигналов, в результате последние обладают потенциально меньшей помехоустойчивостью.
Техническим результатом, на который направлено заявляемое изобретение, является повышение помехоустойчивости приемников, использующих некогерентный метод демодуляции ЧМНФ-сигналов.
Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для демодуляции частотно-манипулированных сигналов с непрерывной фазой содержит последовательно соединенные квадратурный демодулятор, фазовый детектор, дифференциатор, схему усреднения и декодер Витерби, причем второй вход схемы усреднения предназначен для подачи стробирующих импульсов со схемы тактовой синхронизации.
Сущность изобретения заключается в использовании свойства непрерывности фазы ЧМНФ-сигнала на межсимвольных переходах, что позволяет повысить достоверность демодулируемой информации.
Изобретение поясняется графическим материалом, где:
- на фиг.1 представлена структурная схема устройства для демодуляции частотно-манипулированных сигналов с непрерывной фазой;
- на фиг.2 схематично показан элемент фазовой траектории демодулируемого ЧМНФ-сигнала.
На фиг.1 приняты следующие обозначения:
1 - квадратурный демодулятор, 2 - фазовый детектор, 3 - дифференциатор, 4 - схема усреднения, 5 - декодер Витерби, 6 - вход схемы усреднения, предназначенный для подачи стробирующих импульсов со схемы тактовой синхронизации (на чертеже не показана).
Устройство работает следующим образом.
При демодуляции ЧМНФ-сигналов в портативных микропотребляющих системах при относительно низкой скорости передачи символов (до 100 кбит/с ) и средних отношениях сигнал/шум наиболее целесообразно использование некогерентных алгоритмов (оптимальный фильтровой прием, квадратурный алгоритм), однако при сходных условиях рабочие характеристики последних уступают когерентным методам.
Повысить достоверность приема при некогерентной демодуляции возможно путем учета межсимвольной связи, обусловленной непрерывностью фазы используемых ЧМ сигналов при сохранении величины индекса модуляции.
В предлагаемом техническом решении использован некогерентный алгоритм, который основан на методе максимального правдоподобия и используется для детектирования последовательности двоичных символов путем поиска минимума евклидова расстояния траекторий (путей) на решетке фазовых состояний, которая соответствует памяти переданного сигнала. Число фазовых состояний определяется индексом модуляции h.
Оцифровка и обработка принимаемого сигнала производится на нулевой частоте.
В приведенной на фиг.1 структурной схеме устройства для демодуляции использована схема синтезированного декодера максимального правдоподобия, использующего алгоритм Витерби.
На фиг.1 приняты следующие обозначения: r(t)=cos(ω0t+ϕ(t)+ϕ0) - входной сигнал на промежуточной частоте (ПЧ); I(t), Q(t) - квадратурные компоненты сигнала на нулевой частоте, представляющие собой:
I(t)=A cos (ϕ(t)+ϕ0);
Q(t)=A sin (ϕ(t)+ϕ0),
где (ϕ(t) - фаза сигнала, Zi - 1...4 - битные входные данные декодера Витерби;
где m - число дискретных отсчетов на символ с номером - i;
Xi - выходной информационный символ;
Т - стробирующий импульс со схемы тактовой синхронизации (на фиг.1 не показана).
Квадратурный демодулятор 1 осуществляет выделение квадратурных компонент I(t), Q(t) входного сигнала r(t) и выполнен, например, в соответствии со схемой, приведенной в книге: Скляр, Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, 2-е издание. M., «Вильямс», 2003, с.235, рис.4.24, схема демодулятора.
Фазовый детектор 2, преобразующий параметры I(t), Q(t) в ϕ(t) функционирует в соответствии со следующим алгоритмом:
при Q(t), I(t)>0;
Схема 4 усреднения преобразует производную фазы ϕ'(t) в Zi в соответствии с математическим выражением (1).
Декодер 5 Витерби выполнен в соответствии со схемой, приведенной в книге: Кларк Дж., мл., Кейн Дж. Кодирование с исправлением ошибок в системах цифровой связи. М., Радио и связь, 1987, с.237. В указанном источнике информации на с. 216-247 подробно описан принцип функционирования рассматриваемого декодера.
Пример декодера Витерби, который можно использовать в предлагаемом демодуляторе. Для случая L=3 характерные точки 1, 2, 3, 4 (см. фиг.2(а)) соответствуют границам символьных интервалов длительностью Т, при всевозможных комбинациях символов. Каждая из вершин соответствует состоянию декодера Витерби (см. фиг.2(б)). Стрелки на решетчатой структуре отображают всевозможные межсимвольные переходы. В терминах алгоритма Витерби трехзначные двоичные числа на стрелках (ребрах) соответствуют кодовым комбинациям, вызывающим переход, а однозначные - передаваемому информационному символу.
Работа устройства для демодуляции осуществляется следующим образом.
R(t) - входной сигнал на (ПЧ) поступает на вход квадратурного демодулятора 1, на выходе которого формируются квадратурные компоненты сигнала I(t), Q(t), поступающие на входы фазового детектора 2.
Фазовый детектор 2 вычисляет абсолютное значение фазы сигнала на нулевой частоте на интервале (0; 2 π) по математическому выражению (2).
При этом положительному уровню модулирующего сигнала (единичному символу) соответствует возрастание фазы процесса на нулевой частоте, отрицательному уровню соответственно - убывание. Вследствие постоянства величины изменения фазы от символа к символу отпадает необходимость отслеживания абсолютного значения фазы сигнала, а лишь только ее производной на символьном интервале.
Постоянство изменения фазы с точностью до знака от символа к символу справедливо только в случае L=1, то есть без учета памяти сигнала.
В данном случае параметр L обозначает «память» сигнала или количество символов, между которыми прослеживается взаимосвязь. В случае L>1 изменение фазы на текущем несимвольном переходе определяется величинами изменения на L предыдущих, что используется для повышения помехоустойчивости демодулятора.
Испытания предложенного устройства показали, что в результате при индексе модуляции h=3/4 и скорости передачи символов 9600 бит/с обеспечивается выигрыш в отношении сигнал/шум (ОСШ) по сравнению со схемой некогерентного демодулятора в 1 дБ при ОСШ 6 дБ в полосе канала 20 кГц.
Устройство для демодуляции частотно-манипулированных сигналов с непрерывной фазой, содержащее последовательно соединенные квадратурный демодулятор и фазовый детектор и последовательно соединенные схему усреднения и декодер, отличающееся тем, что выход фазового детектора, предназначенного для вычисления абсолютных значений фазы сигнала на нулевой частоте, через введенный дифференциатор соединен с входом схемы усреднения, предназначенной для преобразования и усреднения производной фазы, другой вход которой предназначен для подачи стробирующих импульсов со схемы тактовой синхронизации, причем декодер выполнен в виде декодера Витерби.
