Демодулятор системы связи с двухкратной фазовой модуляцией
Владельцы патента RU 2427969:
Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы") (RU)
Изобретение относится к устройствам демодуляции сигналов с двухкратной фазовой модуляцией (ФМ) и может использоваться в системах связи различного назначения. Достигаемый технический результат - обеспечение возможности работы устройства в условиях больших неопределенностей по частоте и очень малых входных отношений сигнал/шум за счет быстрого вычисления и компенсации расстройки между частотой входного и опорного сигналов. Демодулятор системы связи с двухкратной фазовой модуляцией содержит четыре перемножителя, два ограничителя, квадратурный фазовращатель, два фильтра низкой частоты, сумматор, фильтр петли, вычитающее устройство, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), N-канальный вычислитель-анализатор обобщенного спектра сигнала биений, вычислитель номера канала, преобразователь номера канала в напряжение (ЦАП), генератор, управляемый по частоте. 9 ил.
Изобретение относится к устройствам демодуляции сигналов с двукратной фазовой модуляцией (ФМ) и может использоваться в системах связи различного назначения (спутниковых, кабельных, радиорелейных и т.д.) в целях уменьшения времени установления синхронизации демодулятора в условиях больших рассогласований частот входного и опорного сигналов демодулятора и очень малых значений входных отношений сигнал/шум.
Из уровня техники известен демодулятор с двукратной фазовой модуляцией (ФМ) с индикатором захвата (см. фиг.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 слишком сложно в реализации.
Для упрощения устройства по фиг.1 исключаются перемножитель, четыре квадратора, блок сложения, блок вычитания и умножитель на два и вводятся (см. фиг.2, прототип, - (Л1)): 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.
Известное устройство 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.
К достаточно большому числу систем связи предъявляются требования минимального времени вхождения в связь (системы, работающие с пакетной структурой, в частности МДВР - Многостанционный Доступ Временное Разделение (см. стр.104-117 - Л8). Этот вопрос особо актуален для активного осваемого в настоящее время Ка-диапазона, где появляются повышенные величины сдвига доплеровских частот. Кроме того, в связи с развитием теории и методов реализации помехоустойчивого кодирования, в настоящее время внедряются в практику коды (турбокоды и низкоплотностные коды с проверкой на четность - LDPC (см. Л4), обеспечивающие при очень низкой скорости кодирования (<1/2) весьма близкое приближение к границе Шеннона (до 0,7 дБ). При этом входное отношение сигнал/шум может достигать величины <<1, при котором следящие устройства с последовательным поиском требуют недопустимо большого времени вхождения в связь.
Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение возможности работы устройства в условиях больших неопределенностей по частоте и очень малых входных отношений сигнал/шум за счет быстрого вычисления и компенсации расстройки между частотой входного и опорного сигналов.
Технический результат достигается совокупностью существенных признаков, а именно: демодулятор системы связи с двукратной фазовой модуляцией содержит первый и второй перемножители, квадратурный фазовращатель, генератор, управляемый по частоте, первый и второй фильтры низкой частоты, сумматор и фильтр петли, первый и второй перемножители, первый и второй ограничители, вычитающее устройство, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), N-канальный вычислитель-анализатор обобщенного спектра сигнала биений, вычислитель номера канала, в котором находится максимальная спектральная составляющая, и преобразователь номера канала в напряжение (ЦАП), при этом выход первого перемножителя 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 сумматора, выход 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, первый вход сумматора соединен с выходом преобразователя номера канала в напряжение (ЦАП), входы которого соединены с выходами вычислителя номера канала, в котором находится максимальная спектральная составляющая, входы которого соединены с выходами вычислителя обобщенного спектра сигнала биений, входы которого соединены с выходами аналого-цифрового преобразователя (АЦП), вход которого соединен с выходом вычитающего устройства, выходы третьего и четвертого перемножителей являются информационными выходами демодулятора.
Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, 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 (аналог);
Фиг.3а - временные диаграммы на выходе блока оценки фазы при сигналах типа th(x) и X3 на входах перемножителей демодулятора;
Фиг.3б - спектр сигнала по фиг.3а;
Фиг.3в - временные диаграммы на выходе блока оценки фазы при «жестких» ограничителях на входах перемножителей демодулятора;
Фиг.3г - спектр сигнала по фиг.3в;
Фиг.3д - временные диаграммы на выходе блока оценки фазы при сигналах типа «мягких ограничителей» на входах перемножителей демодулятора;
Фиг.3е - спектр сигнала по фиг.3д;
Фиг.4 - вариант построения обобщенного анализатора спектра;
Фиг.5 - схема выбора максимального канала.
На фиг.3 представлена структурная схема заявленного демодулятора,
где 1, 2 - первый и второй перемножители,
3 - квадратурный фазовращатель,
4 - генератор, управляемый по частоте,
5, 6 - первый и второй фильтры низкой частоты,
7 - сумматор и фильтр петли,
8, 11 - первый и второй перемножители,
9, 10 - первый и второй ограничители,
12 - вычитающее устройство,
13 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП),
14 - N-канальный вычислитель - анализатор обобщенного спектра сигнала биений,
15 - вычислитель номера канала, в котором находится максимальная спектральная составляющая,
16 - преобразователь номера канала в напряжение (ЦАП).
Технический результат, достигаемый при реализации заявленного устройства, заключается в использовании N-канального вычислителя-анализатора обобщенного спектра сигнала биений, подключенного к выходу вычитающего устройства демодулятора и вычисляющего коэффициенты обобщенного ряда Фурье (ОРФ). Вычислитель-анализатор осуществляет параллельный поиск сигнала по частоте, что обеспечивает выигрыш в отношении сигнал/шум в Δfaн/Δfкан раз, где Δfaн≈Δfвx - полоса анализа и входная полоса демодулятора, Δfкан=Δfaн/N - эквивалентная полоса одного канала вычислителя-анализатора, N - число членов разложения при обобщенном спектральном преобразовании. Обобщенный спектральный анализ определяется парой прямого и обратного преобразования (см. стр.326-327 - Л1 и стр.217 - Л3):
где s(t)- сигнал на входе анализатора,
η(k, t) - элементарный сигнал номера к в обобщенном ряде Фурье,
N - число элементарных сигналов,
С(к) - коэффициенты преобразования,
где r∈[0,N-1]
Смысл использования обобщенного спектрального преобразования заключается в следующем.
В квадратурном преобразователе демодуляторов, построенных по схеме Костаса, на практике могут использоваться перемножители разных типов и, в зависимости от этого, сигнал биений может иметь разную форму.
Наиболее распространенные случаи:
П.1. Перемножители с преобразованием сигнала на первом входе типа Th(x) и линейном втором входе (см. Л7 - стр.29, рис.1) - сигнал на выходе устройства оценки имеет гармоническую форму;
П.2. Перемножители с преобразованием сигнала типа Х3 на первом входе и линейном на втором входе (см. Л7 - стр.29, рис.2) - сигнал на выходе устройства оценки имеет гармоническую форму;
П.3. Перемножители - линейные по первому сигнальному входу и двоичные по второму, коммутирующему входу (см. Л7 - стр.31, рис.5) - выходной сигнал на выходе схемы Костаса представляет собой отрезок гармонического сигнала на временном отрезке, равном его четверть периода (см. фиг.3а);
П.4. Перемножители с «мягким» ограничением по одному из входов (см. Л6 - стр.30) - выходной сигнал на выходе устройства оценки схемы Костаса представляет собой отрезок деформированного гармонического сигнала (см. фиг.3д).
Степень «деформации» зависит от степени «мягкости» характеристики ограничения.
Поскольку в первых двух случаях сигнал на выходе устройства оценки представляет собой гармонический сигнал, поэтому в качестве алгоритма для спектрального преобразователя может использоваться традиционный ряд Фурье с оптимальной для этого случая гармонической базой (в том числе алгоритм быстрого преобразования Фурье - БПФ (FFT)) (см. Л3, Л4, Л5, Л6).
В последних двух случаях сигнал на выходе устройства оценки представляет собой негармонический сигнал и должен разлагаться по собственным базовым функциям (элементарным сигналам η(k,t)) в соответствии с приведенными выше формулами. Как и в первом случае, возможно применение алгоритмов быстрых преобразований (см. Л6).
Применение одного типа спектрального преобразования к демодуляторам с разными типами перемножителей не обеспечивает оптимальный результат, поскольку, как видно из спектра этого сигнала по п.3, вычисленного в классическом гармоническом базисе (см. фиг.3г), уровни первых двух составляющих отличаются примерно в 2.1 раза, что при входных отношениях сигнал/шум порядка единицы и меньше приводит к повышенным вероятностям ложных определений номера канала анализатора (в два и более раз по вероятности ошибки, в зависимости от отношения сигнал/шум).
Аналогичные вычисления показывают, что в устройствах с преобразованием сигнала по п.4 эти соотношения будут иметь промежуточные значения между результатами, соответствующими п.п.1, 2 и 3 (см. фиг.3е).
Применение вычислителя-анализатора спектра с использованием базовых функций, согласованных с формой сигнала для каждого из случаев по пп.3÷4, даст только одну первую составляющую спектра на выходе вычислителя-анализатора (см. фиг.3б) и вероятность определения номера канала, в котором находится сигнал, будет выше, чем в случае применения классического спектрального анализа.
Переход от одного вида базовых функций к другому производится путем перезаписи в память анализатора заранее рассчитанных по приведенным выше формулам коэффициентов С.
Один из вариантов аппаратурной реализации N-канального вычислителя-анализатора спектра приведен на фиг.4 (см. Л5 - стр.63, 66), а вариант построения схемы выбора максимального сигнала на фиг.5.
Особенно эффективным использование демодулятора может быть в спутниковых радиолиниях КА диапазона (из-за больших доплеровских сдвигов), в которых применяются современные методы кодирования с большими величинами кодовых скоростей (турбокоды и LDPC с R<1/2, при этом входная величина отношения сигнал/шум <1), а также в системах с пакетной структурой сигнала МДВР - Многостанционный Доступ Временное Разделение.
Источники информации
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) - (Л1).
2. Урядников Ю.Ф., Аджемов С.С. Сверхширокополосная связь, М.: СОЛОН-Пресс, 2005 г. (Л2).
3. Трахтман A.M. Введение в обобщенную спектральную теорию сигналов, М.: «Советское Радио», 1972 г. (Л3).
4. Л.Фрэнкс, Теория сигналов, М.: «Советское Радио», 1974 г. (Л4).
5. Стандарт цифрового вещательного телевидения (Л5).
DVB-S2 ETSI EN 302 307 V 1.1.1 (2004-01).
6. Н.Ахмет, К.Рао. Ортогональные преобразования при обработке цифровых сигналов, М.: Связь, 1980 г. (Л6).
7. Банкет В.Л., Мельник A.M. Системы восстановления несущей при когерентном приеме дискретных сигналов. Зарубежная радиоэлектроника, М.: «Радио и Связь», №12, 1983 г. (Л7).
8. Спутниковая связь и вещание. Справочник под ред. Л.Я.Кантора М.: Радио и связь, 1997 (Л8).
Демодулятор системы связи с двукратной фазовой модуляцией, содержащий первый и второй перемножители, квадратурный фазовращатель, генератор, управляемый по частоте, первый и второй фильтры низкой частоты, сумматор и фильтр петли, третий и четвертый перемножители, первый и второй ограничители, вычитающее устройство, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), N-канальный вычислитель-анализатор обобщенного спектра сигнала биений, вычислитель номера канала, в котором находится максимальная спектральная составляющая, и преобразователь номера канала в напряжение (ЦАП), при этом выход первого перемножителя 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 сумматора, выход 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, первый вход сумматора соединен с выходом преобразователя номера канала в напряжение (ЦАП), входы которого соединены с выходами вычислителя номера канала, в котором находится максимальная спектральная составляющая, входы которого соединены с выходами N-канального вычислителя-анализатора обобщенного спектра сигнала биений, входы которого соединены с выходами аналого-цифрового преобразователя (АЦП), вход которого соединен с выходом вычитающего устройства, выходы третьего и четвертого перемножителей являются информационными выходами демодулятора.
