Демодулятор системы связи с двукратной фазовой модуляцией
Владельцы патента RU 2376718:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения" (RU)
Изобретение относится к высокоскоростным устройствам демодуляции сигналов с двукратной фазовой модуляцией и может использоваться в системах связи различного назначения (спутниковых, кабельных, радиорелейных и т.д.) в целях повышения эффективности демодулятора в условиях больших рассогласований частот входного и опорного сигналов. Техническим результатом заявленного технического решения является упрощение и повышение стабильности работы устройства, расширение диапазона скоростей принимаемых данных в область низких частот, устранение вероятности ложных захватов и улучшение динамических свойств петли слежения демодулятора. Демодулятор системы связи с двукратной фазовой модуляцией содержит первый, второй, третий и четвертый перемножители, первый, второй, третий и четвертый фильтры низкой частоты, первый и второй ограничители, вычитающее устройство, первый и второй сумматоры, фильтр петли, переключатель, генератор пилообразного напряжения, генератор, управляемый по частоте, квадратурный фазовращатель, первый и второй квадраторы, первый и второй компараторы, детектор уровня сигнала биений, фильтр высокой частоты и логический анализатор. 4 ил., 1 табл.
Изобретение относится к устройствам демодуляции сигналов с двукратной фазовой модуляцией и может использоваться в системах связи различного назначения (спутниковых, кабельных, радиорелейных и т.д.) в целях повышения эффективности демодулятора в условиях больших рассогласований частот входного и опорного сигналов демодулятора.
Из уровня техники известен демодулятор с двукратной фазовой модуляцией (ФМ) с индикатором захвата (см. фиг.1, /1/), содержащий квадратурную схему переноса частоты принимаемого сигнала на нулевую, включающую в себя два перемножителя (1, 2), квадратурный фазовращатель (3), управляемый по частоте генератор (4), ФНЧ (5, 6), устройство формирования сигнала ошибки, состоящее из ограничителей (9, 10) и перемножителей (8, 11), фильтр петли (7), (схема Костаса), а также перемножитель (13), четыре квадратора (14, 15, 17, 19), блок сложения (18), блок вычитания (20) и умножитель на два (16). Однако данное устройство, по мнению самих авторов, слишком сложно в реализации.
Для упрощения устройства из схемы по фиг.1 исключаются перемножитель, четыре квадратора, блок сложения, блок вычитания и умножитель на два и вводятся (см. фиг.2, прототип): низкочастотный генератор (26), детектор захвата, включающий в себя высокочастотный фильтр - ФВЧ (22), усилитель (23), выпрямитель (24), компаратор (27), а также генератор пилообразного напряжения (25) и переключатель (28), управляемый сигналом захвата, сумматор (7). Когда петля не в захвате, детектор захвата детектирует вводимый в петлю низкочастотный сигнал и формирует команду на подключение генератора поиска к петле. Когда петля в захвате, низкочастотный сигнал компенсируется петлей слежения, и детектор захвата формирует команду на отключение сигнала поиска.
Устройство, работающее в соответствии со схемой, изображенной на фиг.2, обладает следующими недостатками: сигнал низкочастотного генератора, вводимый в петлю, воспринимается ею как внутренняя помеха, что ухудшает помехоустойчивость и динамические свойства петли, уменьшает диапазон применимых скоростей передачи информации со стороны низких частот и повышает вероятность ложных захватов в петле. Для устранения этих недостатков в демодуляторе по схеме фиг.2 исключается генератор низкочастотного сигнала и вводятся (см. рис.3): детектор уровня сигнала биений (35), логический анализатор (38), компаратор амплитуды сигнала.
Техническим результатом заявленного технического решения является упрощение и повышение стабильности работы устройства, расширение диапазона скоростей принимаемых данных в область низких частот (асимтотически вплоть до нулевых частот), устранение вероятности ложных захватов и улучшение динамических свойств петли слежения демодулятора.
Технический результат достигается тем, что демодулятор системы связи с двукратной фазовой модуляцией содержит первый перемножитель, выход которого соединен с входом первого фильтра низкой частоты, выход которого соединен с первым входом третьего перемножителя и входом второго ограничителя, выход второго ограничителя соединен со вторым входом четвертого перемножителя, выход второго перемножителя соединен с входом второго фильтра низкой частоты, выход которого соединен с первым входом четвертого перемножителя и с входом первого ограничителя, выход первого ограничителя соединен со вторым входом третьего перемножителя, выход которого соединен с первым входом вычитающего устройства, второй вход которого соединен с выходом четвертого перемножителя, выход вычитающего устройства соединен со вторым входом первого сумматора, первый вход которого соединен с выходом переключателя, первый вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, выход первого сумматора соединен с входом фильтра петли, выход которого соединен с входом генератора, управляемого по частоте, выход которого соединен с входом квадратурного фазовращателя, выходы которого соединены соответственно со вторыми входами первого и второго перемножителей, первые входы которых соединены между собой и являются входом демодулятора, при этом демодулятор дополнительно содержит первый и второй квадраторы, второй сумматор, третий и четвертый фильтры низкой частоты, первый и второй компараторы, детектор уровня сигнала биений, фильтр высокой частоты и логический анализатор, причем выходы третьего и четвертого перемножителей соединены соответственно с входами первого и второго квадратора, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами второго сумматора, выход которого соединен с входом третьего фильтра низкой частоты, выход которого соединен с входом первого компаратора, выход которого соединен с первым входом логического анализатора, выход вычитающего устройства соединен с входом четвертого фильтра низкой частоты, выход которого соединен с входом детектора уровня сигнала биений, выход которого соединен с входом фильтра высокой частоты, выход которого соединен с входом второго компаратора, выход которого соединен со вторым входом логического анализатора, выход которого соединен со вторым входом переключателя и является выходом демодулятора.
Технический результат получается за счет исключения генератора сигнала низкой частоты, который подается в петлю слежения, и введения в схему детектора сигнала биений на выходе фазового дискриминатора, фильтра высокой частоты, формирователя уровня наличия входного сигнала и логического анализатора состояния выходов обоих детекторов с целью формирования сигнала отключения генератора поиска.
Признаки и сущность настоящего изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, на которых одинаковыми ссылочными позициями обозначены соответствующие элементы, где показано следующее.
Фиг.1 - демодулятор ФМ с устройством индикации захвата.
Фиг.2 - демодулятор ФМ с устройством индикации захвата и устройством поиска сигнала по частоте (прототип).
Фиг.3 - заявленный демодулятор ФМ с устройством индикации захвата и устройством поиска сигнала по частоте.
Фиг.4 - эпюры напряжений в детекторе захвата.
На фиг.3 представлена структурная схема заявляемого демодулятора ФМ с устройством индикации захвата и устройством поиска сигнала по частоте, содержащая следующие блоки и обозначения:
1, 2 - первый и второй перемножители,
3 - квадратурный фазовращатель,
4 - генератор, управляемый по частоте,
5, 6 - первый и второй фильтры низкой частоты,
8, 11 - первый и второй перемножители,
9, 10 - первый и второй ограничители,
12 - вычитающее устройство,
21 - первый сумматор и фильтр петли,
25 - генератор пилообразного напряжения,
28 - переключатель,
29, 31 - первый и второй квадраторы,
30 - второй сумматор,
32, 33 - третий и четвертый фильтры низкой частоты,
34, 37 - первый и второй компараторы,
35 - детектор уровня сигнала биений,
36 - фильтр высокой частоты,
38 - логическое устройство (логический анализатор).
При этом первый (29) и второй квадраторы (31) совместно с сумматором (30) образуют анализатор амплитуды сигнала. Третий (8) и четвертый (11) перемножители совместно с первым (9) и вторым (10) ограничителями и вычитающим устройством (12) образуют устройство формирования сигнала ошибки.
Устройство работает следующим образом.
Элементы с (1) по (12) формируют классический демодулятор, работающий по известной схеме Костаса /2/. Схема представляет собой вариант умножителя частоты на 4, работающего на квадратурных составляющих в низкочастотном эквиваленте, за счет чего "снимается" манипуляция кратности ФМ сигнала, как в классическом варианте восстановления несущей с умножением частоты. Сигнал ошибки здесь образуется согласно алгоритму, оптимальному по критерию максимального правдоподобия /2/:
E(t)=x·sign(у)-у·sign(x),
где х и у - квадратурные составляющие на выходах перемножителей, а sign - символ знака числа.
Квадратурные составляющие сигнала формируются за счет перемножения входного сигнала с квадратурными составляющими опорного сигнала (sinφ и cosφ) в элементах перемножителей (8) и (11). Знаки квадратурных каналов sign формируются схемами ограничителей (компараторами). При полном синхронизме квадратурные составляющие представляют собой независимые, принимаемые информационные сигналы (в аналоговом представлении), и сигнал ошибки на выходе вычитающего устройства (12) равен нулю. При нарушении синхронизма на выход каждого из квадратурных каналов добавляется составляющая из другого квадратурного канала. За счет корреляции этой составляющей со знаковым сигналом ортогональной квадратурной составляющей на выходах перемножителей (8) и (11) появляются постоянные составляющие сигналов ошибок, которые, за счет взаимного вычитания в элементе (12), формируют сигнал с амплитудой, пропорциональной величине рассогласования по фазе входного и опорных сигналов, и знаком, компенсирующим знак рассогласования.
При отсутствии сигнала детектор уровня входного сигнала и на выходе детектора биений (35) формируют нулевые логические уровни, и на входах логического устройства (38) формируется сигнал, отключающий устройство индикации сигнала захвата (см. эпюры фиг.4).
При появлении сигнала с частотой, отличающейся от частоты сигнала на величину большую, чем полоса захвата петли автоподстройки, анализатор амплитуды сигнала, состоящий из двух квадраторов и суммирующего устройства (29, 30, 31), и детектор биений (35) формируют уровни, обеспечивающие на выходе логического анализатора (38) команду включения генератора поиска и отключения индикатора захвата (см. эпюры фиг.4). Биения пилообразной формы с разным наклоном пилы (сплошные и пунктирные) соответствуют разным знакам расстройки по частоте входного и опорного сигналов. При совпадении частоты входного сигнала с частотой опорного сигнала обеспечивается захват, ФВЧ (36) блокирует сигнал управления постоянного тока и выдает на своем выходе нулевой уровень (см. эпюры фиг.4).
Единичный сигнал на выходе анализатора уровня и нулевой сигнал на выходе детектора биений (35) обеспечивают на выходе логической схемы (38) уровень сигнала, включающий индикатор захвата и отключающий генератор сигнала поиска (см. эпюры фиг.4).
При отсутствии сигнала на входах логического устройства (38) формируется сигнал, отключающий устройство индикации сигнала захвата.
Таблица истинности логического анализатора (38) приведена ниже.
| Сигнал на входе | Детектор уровня | Детектор сигнала биений | Выход логического устройства |
| отсутствует | 0 | 0 | 0 |
| за полосой захвата петли | 1 | 1 | 0 |
| в полосе захвата петли | 1 | 0 | 1 |
Промышленная применимость. Настоящее изобретение может быть применено в системах связи различного назначения (спутниковых, кабельных, радиорелейных и т.д.) в целях повышения эффективности демодулятора в условиях больших рассогласований частот входного и опорного сигналов демодулятора.
Проведенный анализ позволил установить: аналоги с совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного демодулятора условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленной системы, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Источники информации, принятые во внимание
1. Novel method detects lock in Costas loops. EDN, 22.06.2000, The design source for engineers and managers worldwide, www.EDN.com - Новый метод выделения сигнала захвата в петле Костаса. Международный справочник по проектированию для инженеров и менеджеров (прототип).
2. Банкет В.Л., Мельник A.M. Системы восстановления несущей при когерентном приеме дискретных сигналов. «Зарубежная радиоэлектроника» №12, 1983 г.
Демодулятор системы связи с двукратной фазовой модуляцией, содержащий первый перемножитель, выход которого соединен с входом первого фильтра низкой частоты, выход которого соединен с первым входом третьего перемножителя и входом второго ограничителя, выход второго ограничителя соединен со вторым входом четвертого перемножителя, выход второго перемножителя соединен с входом второго фильтра низкой частоты, выход которого соединен с первым входом четвертого перемножителя и с входом первого ограничителя, выход первого ограничителя соединен со вторым входом третьего перемножителя, выход которого соединен с первым входом вычитающего устройства, второй вход которого соединен с выходом четвертого перемножителя, выход вычитающего устройства соединен со вторым входом первого сумматора, первый вход которого соединен с выходом переключателя, первый вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, выход первого сумматора соединен с входом фильтра петли, выход которого соединен с входом генератора управляемом по частоте, выход которого соединен с входом квадратурного фазовращателя, выходы которого соединены соответственно со вторыми входами первого и второго перемножителей, первые входы которых соединены между собой и являются входом демодулятора, отличающийся тем, что дополнительно содержит первый и второй квадраторы, второй сумматор, третий и четвертый фильтры низкой частоты, первый и второй компараторы, детектор уровня сигнала биений, фильтр высокой частоты и логический анализатор, причем выходы третьего и четвертого перемножителей соединены соответственно с входами первого и второго квадратора, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами второго сумматора, выход которого соединен с входом третьего фильтра низкой частоты, выход которого соединен с входом первого компаратора, выход которого соединен с первым входом логического анализатора, выход вычитающего устройства соединен с входом четвертого фильтра низкой частоты, выход которого соединен с входом детектора уровня сигнала биений, выход которого соединен с входом фильтра высокой частоты, выход которого соединен с входом второго компаратора, выход которого соединен со вторым входом логического анализатора, выход которого соединен со вторым входом переключателя и является выходом демодулятора.
