Устройство для демодуляции фазоманипулированных сигналов

Полезная модель относится к области радиомониторинга фазоманипулированных сигналов (ФМС) с большим априорно неизвестным диапазоном доплеровского смещения частоты. Техническим результатом создания полезной модели является уменьшение времени регулирования управляемого генератора до вхождения устройства демодуляции ФМС в синхронизм при фиксированном значении вероятности ошибочных решений и улучшение эксплуатационных характеристик устройства демодуляции за счет использования цифровой элементной базы с низкой частотой дискретизации. Для достижения указанного технического результата предлагается устройство для демодуляции ФМС, содержащее первый, второй и третий перемножители, первый и второй фильтры нижних частот, петлевой фильтр, первый управитель, первый фазовращатель, управляемый генератор. Согласно полезной модели, дополнительно введены решающее устройство, автокорреляционный частотный дискриминатор и второй сумматор, причем решающее устройство имеет два входа и два выхода и состоит из четвертого, пятого, шестого и седьмого перемножителей, первой и второй линий задержки, первого сумматора, первого и второго вычитателей, третьего и четвертого фильтров нижних частот, первого функционального преобразователя и второго управителя, а автокорреляционный частотный дискриминатор состоит из пятого, шестого и седьмого фильтров нижних частот, второго фазовращателя, третьей линии задержки, восьмого и девятого перемножителей, второго функционального преобразователя и третьего управителя.

Полезная модель относится к области радиомониторинга фазоманипулированных сигналов (ФМС) с большим априорно неизвестным диапазоном доплеровского смещения частоты.

Известен демодулятор ФМС по схеме Пистолькорса [1 - Петрович Н.Т. "Передача дискретной информации в каналах с фазовой манипуляцией". - М.: Сов. Радио, 1965], состоящий из входного полосового фильтра, фазового детектора и канала восстановления несущего колебания, включающего в себя удвоитель частоты, узкополосный фильтр, делитель частоты, фазовращатель.

Недостатком данного аналога является низкая помехоустойчивость, обусловленная тем, что при большом диапазоне априорной неопределенности доплеровского смещения частоты сигнала необходимо существенно увеличивать полосу пропускания узкополосного фильтра.

Известен также автокорреляционный демодулятор ФМС [2 - Феер К. "Беспроводная цифровая связь". - М.: радио и связь, 2000], состоящий из входного полосового фильтра, двух перемножителей, двух фильтров нижних частот, двух ограничителей, линии задержки, фазовращателя на 90° и параллельно-последовательного преобразователя.

К недостаткам данного аналога следует отнести наличие порогового эффекта, снижающего помехоустойчивость при входном отношении сигнал-шум близком к единице.

Из известных устройств, подобных заявленной полезной модели, наиболее близким по технической сущности является демодулятор ФМС по схеме Костаса [3 - Шахтарин Б.И. "Синхронизация в радиосвязи и радионавигации". - М.: Гемос АРВ, 2007. - 256 с], взятый за прототип, содержащий первый, второй и третий перемножители, первый и второй фильтры нижних частот, петлевой фильтр, первый фазовращатель, управляемый генератор, первый управитель, причем вход демодулятора подключен параллельно к первым входам первого и второго перемножителей, ко второму входу первого перемножителя подключен непосредственно выход управляемого генератора, а ко второму входу второго перемножителя выход управляемого генератора подключен через первый фазовращатель, выход первого перемножителя подключен к первому входу третьего перемножителя через первый фильтр нижних частот, выход второго перемножителя подключен ко второму входу третьего перемножителя через второй фильтр нижних частот, выход третьего перемножителя подключен к управляющему входу управляемого генератора через каскадно включенные петлевой фильтр и первый управитель, выходом демодулятора является выход первого фильтра нижних частот.

К недостаткам прототипа следует отнести увеличение времени регулирования частоты управляемого гетеродина до вхождения демодулятора в синхронизм в случае приема ФМС с большим диапазоном априорной неопределенности по доплеровскому смещению частоты.

Техническим результатом создания полезной модели является уменьшение времени регулирования управляемого генератора до вхождения устройства демодуляции ФМС в синхронизм при фиксированном значении вероятности ошибочных решений и улучшение эксплуатационных характеристик устройства демодуляции за счет использования цифровой элементной базы с низкой частотой дискретизации.

Для достижения указанного технического результата предлагается устройство для демодуляции ФМС, содержащее первый, второй и третий перемножители, первый и второй фильтры нижних частот, петлевой фильтр, первый управитель, первый фазовращатель, управляемый генератор, причем вход устройства подключен к первым входам первого и второго перемножителей, ко второму входу первого перемножителя подключен выход управляемого генератора непосредственно, а ко второму входу второго перемножителя подключен выход управляемого генератора, через каскадно установленный первый фазовращатель, выход первого перемножителя соединен с первым входом третьего перемножителя через каскадно включенный первый фильтр нижних частот, выход второго перемножителя соединен со вторым входом третьего перемножителя через каскадно включенный второй фильтр нижних частот, выход третьего перемножителя соединен со входом управляемого генератора через каскадно включенные петлевой фильтр, первый управитель и второй сумматор.

Согласно полезной модели, дополнительно введены решающее устройство, автокорреляционный частотный дискриминатор и второй сумматор, причем решающее устройство имеет два входа и два выхода и состоит из четвертого, пятого, шестого и седьмого перемножителей, первой и второй линий задержки, первого сумматора, первого и второго вычитателей, третьего и четвертого фильтров нижних частот, первого функционального преобразователя и второго управителя, причем к первому входу решающего устройства параллельно подключены первые входы четвертого и шестого перемножителей и вход первой линии задержки, к выходу которой параллельно подключены вторые входы четвертого и пятого перемножителей, ко второму входу решающего устройства параллельно подключены первые входы пятого и седьмого перемножителей и вход второй линии задержки, к выходу которой параллельно подключены вторые входы шестого и седьмого перемножителей, к выходу четвертого перемножителя параллельно подключены первые входы первого сумматора и второго вычитателя, к выходу пятого перемножителя подключен первый вход первого вычитателя, к выходу шестого перемножителя подключен второй вход первого вычитателя, к выходу седьмого перемножителя параллельно подключены второй вход первого сумматора и второй вход второго вычитателя, выход первого сумматора через каскадно включенный третий фильтр нижних частот подключен к первому входу первого функционального преобразователя, выход первого вычитателя через каскадно включенный четвертый фильтр нижних частот подключен ко второму входу первого функционального преобразователя, выход которого через каскадно включенный второй управитель подключен к первому выходу решающего устройства и далее подается на второй вход второго сумматора, выход второго вычитателя подключен ко второму выходу решающего устройства и далее подается на вход автокорреляционного частотного дискриминатора, который состоит из пятого, шестого и седьмого фильтров нижних частот, второго фазовращателя, третьей линии задержки, восьмого и девятого перемножителей, второго функционального преобразователя и третьего управителя, причем вход автокорреляционного частотного дискриминатора подключен через пятый фильтр нижних частот, к выходу которого параллельно подключены входы второго фазовращателя, третьей линии задержки и первый вход девятого перемножителя, к выходу третьей линии задержки параллельно подключены вторые входы восьмого и девятого перемножителей, к выходу второго фазовращателя подключен первый вход восьмого перемножителя, выход которого через каскадно включенный шестой фильтр нижних частот подключен к первому входу второго функционального преобразователя, выход девятого перемножителя через каскадно подключенный седьмой фильтр нижних частот подключен ко второму входу второго функционального преобразователя, выход которого через каскадно включенный третий управитель подключен к выходу автокорреляционного частотного дискриминатора и далее подается на третий вход второго сумматора, который включен в разрыв между первым управителем и управляемым генератором.

На фигуре приведена функциональная схема заявленного устройства для демодуляции (УД).

В заявленном УД: 1 - первый перемножитель П₁; 2 - первый фильтр нижних частот ФНЧ₁; 3 - четвертый перемножитель П₄; 4 - первый сумматор Cyм₁; 5 - третий фильтр нижних частот ФНЧ₃; 6 - первый фазовращатель Фв₁; 7 - третий перемножитель П₃; 8 - петлевой фильтр ПтФ; 9 - первая линия задержки ЛЗ₁; 10 - пятый перемножитель П₅; 11 - первый функциональный преобразователь ФП₁; 12 - вторая линия задержки ЛЗ₂; 13 - шестой перемножитель П₆; 14 - первый вычитатель Выч₁; 15 - четвертый фильтр нижних частот ФНЧ ₄; 16 - второй перемножитель П₂; 17 - второй фильтр нижних частот ФНЧ₂; 18 - седьмой перемножитель П₇; 19 - второй вычитатель Выч₂; 20 - второй управитель Упр₂; 21 - управляемый генератор УГ; 22 - второй сумматор Сум₂; 23 - первый управитель Упр ₁; 24 - решающее устройство РУ; 25 - пятый фильтр нижних частот ФНЧ₅; 26 - второй фазовращатель Фв₂ ; 27 - третья линия задержки ЛЗ₃; 28, 29 - восьмой и девятый перемножители соответственно П₈, П₉ ; 30, 31 - шестой и седьмой фильтры нижних частот соответственно ФНЧ₆, ФНЧ₇; 32 - второй функциональный преобразователь ФП₂, 33 - третий управитель Упр ₃, 34 - автокорреляционный частотный дискриминатор АЧД.

Принцип действия заявленного устройства состоит в следующем.

На вход УД и первого и второго перемножителей (1) и (16) поступает фазоманипулированный сигнал

S(t)=U_msП(t)cos(2_st+_s); _s=₀+_д,

П(t)[-1; +1],

где U_ms, _s, _s - амплитуда, частота, начальная фаза сигнала S(t);

₀ - частота излучения;

_д - доплеровское смещение частоты;

П(t) - манипулирующая функция, представляющая собой последовательность положительных и отрицательных прямоугольных импульсов с единичной амплитудой и длительностью Т_э.

На вторые входы первого и второго перемножителей (1) и (16) с выхода УГ (21) поступают напряжения

U_гс(t)=U _гcos(2_гt+_г); _г0,

U_гs(t)=U_s sin(2_гt+_г),

где U_г, _г, _г - амплитуда, частота, начальная фаза напряжения УГ (21) на момент приема сигнала.

После прохождения сигнала через квадратурные каналы УД на входах третьего перемножителя (7) имеем процессы

;

;

д; =_s-_г;

h_Ф1(t)=2_Ф1sinc(_Ф1t); ,

где h_Ф1(t) - импульсная реакция ФНЧ₁(2), ФНЧ₂(17) с полосой пропускания _Ф1;

- частотное рассогласование;

- фазовое рассогласование;

K₁ - коэффициент передачи в квадратурных каналах.

После прохождения процессов U_с(t) и U_s(t) через П₃(7) и ПтФ(8) получаем напряжение рассогласования

;

h_Ф2(t)=2_Ф2sinc(_Ф2t); _Ф2,

где h_Ф2(t) - импульсная реакция ПтФ(8) с полосой пропускания _Ф2.

Далее через Упр₁ (23) напряжение рассогласования поступает на управляющий вход УГ(21) и поскольку обратная связь замыкается, то в контуре фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) начинается процесс регулирования частоты УГ(21) до входа в синхронизм. Время регулирования частоты T_p1 определяется из следующего выражения

; _З1=д,

где _ш - шумовая полоса контура ФАПЧ;

_д - диапазон априорной неопределенности доплеровского смещения частоты.

При _д=3·10³ Гц и _ш=10² Гц ФАПЧ обеспечивает вхождение в синхронизм (_гs) через T_p1=31,5 с., что при приеме пакетных фазоманипулированных сигналов оказывается не приемлемым.

В заявленном УД с целью уменьшения времени регулирования частоты дополнительно введены решающее устройство (24) и автокорреляционный частотный дискриминатор (34), образующие двухшкальный частотный дискриминатор.

Решающее устройство (24) обеспечивает "грубое" оценивание частотного рассогласования , а АЧД (34) обеспечивает "точное" оценивание .

При этом после подстройки частота УГ(21) равна , где и - "грубая" и "точная" оценки частотного рассогласования.

Автокорреляционная обработка квадратурных составляющих ФМС в РУ(24) состоит из нескольких операций, описываемых следующим образом:

;

;

;

;

=2; _лз=T_э,

где U₁ (t, _лз), U₃(t, _лз), U₂(t, _лз), U₄(t, _лз) - напряжения на выходе П₇(18), П₆(13), П₅(10), П₄(3);

k_s - коэффициент передачи перемножителей П₇ (18) П₆(13), П₅(10), П₄(3).

Полученные выше напряжения после обработки в П ₇(18), П₆(13), П₅(10), П₄ (3), Cум₁(4), Bыч₁(14) с последующим усреднением в ФНЧ₃(5) и ФНЧ₄(15) приобретают следующий вид:

;

,

где U₅(T₁,T _э), U₆(T₁,T_э) - напряжения на выходах ФНЧ₃(5) и ФНЧ₄(15);

T₁ - постоянная интегрирования ФНЧ₃(5) и ФНЧ₄(15).

Напряжение на выходе Выч ₂(19) имеет вид

После преобразования напряжений U ₅(T₁,T_э) и U₆(T₁ ,T_э) в функциональном преобразователе ФП₁ (11) получаем на выходе Упр₂(20) напряжение U ₈(T₁) пропорциональное "грубой" оценке частотного рассогласования

В Упр₂(20) формируется "грубая" оценка частотного рассогласования , которая подается на Сум₂(22) и затем на УГ(21).

На вход АЧД (34) U₇(T₁,T _э) поступает через ФНЧ₅(25), импульсная характеристика которого имеет вид

h_Ф3(t)=2_Ф3sinc(_Ф3t); _Ф3д,

где _Ф3 - полоса пропускания ФНЧ₅(25).

Обработка напряжения U₇(T₁,T _э) осуществляется в соответствии со следующим алгоритмом

; ;

;

;

; ₂=2₂,

где U₉(T₂ ) - напряжение пропорциональное удвоенной "точной" оценке частотного рассогласования на выходе ФП₂(32);

U_sa(T₂,_лз2) и U_ca(T₂,_лз2) - напряжение квадратурных составляющих на выходах ФНЧ₆(30) и ФНЧ₇(31);

T₂ - постоянная интегрирования ФНЧ₆(30) и ФНЧ₇(31);

U_7s(t) и U _7c(t) - напряжения на входе П₈(28) и П₉ (29);

K₄ - коэффициент передачи перемножителей П₈(28) и П₉(29);

_лз2 - временной сдвиг, вносимый ЛЗ₃ (27);

₂ - частотное рассогласование в АЧД (34).

В Упр₃(33) формируется "точная" оценка частотного рассогласования которая подается на Cум₂(22) и затем на УГ(21).

Среднеквадратичные погрешности оценивания частоты в РУ(24) и АЧД(34) могут быть рассчитаны из следующих соотношений

; ; ; ;

; ; _од=4₁, при P_дов=0,95;

; ,

где ₁ и ₂ - среднеквадратичные погрешности оценивания частотного рассогласования в РУ(24) и АЧД(34);

g_BX - входное отношение сигнал-шум по напряжению на входе УД;

g_д - отношение сигнал-шум по напряжению на выходах ФНЧ₁(2) и ФНЧ₂ (17);

g₁, g₂ - отношение сигнал-помеха на выходах ФП₁(11) и ФП₂(32);

_од - диапазон однозначного оценивания частоты в АЧД(34);

g_a - отношение сигнал-помеха по напряжению на выходе ФНЧ₅(25);

P _дов - доверительная вероятность.

Время регулирования частоты УГ(21) в заявленном УД равно

T_p2 =T₁+T₂+T_ФАПЧ; ,

где Т_ФАПЧ - время регулирования в ФАПЧ, соответствующей по структуре прототипу.

Определим время регулирования частоты УГ(21) при _д=3·10³ Гц, _ш=10² Гц, T_э=10^-6 с, g_д=3,3, что обеспечивает вероятность ошибочных решений в УД P_ош=10^-6.

Для обеспечения ₁=10² Гц необходимо иметь T₁ =2,45·10^-2 с, для обеспечения ₂=25 Гц достаточно иметь T₂=1,5·10 ^-4. Поскольку при этом полоса захвата ФАПЧ определяется при P_дов=0,94 _зах2=4₂ и равна 10² Гц, то с учетом этого получается Т_ФАПЧ=5·10^-2 с, а общее время регулирования частоты составит Т_р2=7,5·10 ^-2с.

Полученные результаты показывают, что заявленное УД обеспечивает уменьшение времени регулирования частотного рассогласования УГ(21) в 420 раз.

Кроме того следует отметить, обработка процессов в РУ(24) и АЧД(34) осуществляется в области видеочастот, что позволяет существенно снизить частоту дискретизации при переходе на цифровую элементную базу и улучшить эксплуатационные характеристики (масса, габариты, энергопотребление) по сравнению с реализацией УД на аналоговой элементной базе.

Таким образом реализация устройства для демодуляции ФМС не вызывает затруднений. Представленная схема на фигуре и подробное описание принципа действия каждого блока, реализация которых возможна на типовых функциональных узлах с использованием современной элементной базы, позволяет изготовить устройство для демодуляции ФМС промышленным способом по своему назначению, что характеризует полезную модель как промышленно применимую.

Устройство для демодуляции фазоманипулированных сигналов, содержащее первый, второй и третий перемножители, первый и второй фильтры нижних частот, петлевой фильтр, первый управитель, первый фазовращатель, управляемый генератор, причем вход устройства подключен к первым входам первого и второго перемножителей, ко второму входу первого перемножителя подключен выход управляемого генератора непосредственно, а ко второму входу второго перемножителя подключен выход управляемого генератора через каскадно установленный первый фазовращатель, выход первого перемножителя соединен с первым входом третьего перемножителя через каскадно включенный первый фильтр нижних частот, выход второго перемножителя соединен со вторым входом третьего перемножителя через каскадно включенный второй фильтр нижних частот, выход третьего перемножителя соединен со входом управляемого генератора через каскадно включенные петлевой фильтр, первый управитель и второй сумматор, отличающееся тем, что дополнительно введены решающее устройство, автокорреляционный частотный дискриминатор и второй сумматор, причем решающее устройство имеет два входа и два выхода и состоит из четвертого, пятого, шестого и седьмого перемножителей, первой и второй линий задержки, первого сумматора, первого и второго вычитателей, третьего и четвертого фильтров нижних частот, первого функционального преобразователя и второго управителя, причем к первому входу решающего устройства параллельно подключены первые входы четвертого и шестого перемножителей и вход первой линии задержки, к выходу которой параллельно подключены вторые входы четвертого и пятого перемножителей, ко второму входу решающего устройства параллельно подключены первые входы пятого и седьмого перемножителей и вход второй линии задержки, к выходу которой параллельно подключены вторые входы шестого и седьмого перемножителей, к выходу четвертого перемножителя параллельно подключены первые входы первого сумматора и второго вычитателя, к выходу пятого перемножителя подключен первый вход первого вычитателя, к выходу шестого перемножителя подключен второй вход первого вычитателя, к выходу седьмого перемножителя параллельно подключены второй вход первого сумматора и второй вход второго вычитателя, выход первого сумматора через каскадно включенный третий фильтр нижних частот подключен к первому входу первого функционального преобразователя, выход первого вычитателя через каскадно включенный четвертый фильтр нижних частот подключен ко второму входу первого функционального преобразователя, выход которого через каскадно включенный второй управитель подключен к первому выходу решающего устройства и далее подается на второй вход второго сумматора, выход второго вычитателя подключен ко второму выходу решающего устройства и далее подается на вход автокорреляционного частотного дискриминатора, который состоит из пятого, шестого и седьмого фильтров нижних частот, второго фазовращателя, третьей линии задержки, восьмого и девятого перемножителей, второго функционального преобразователя и третьего управителя, причем вход автокорреляционного частотного дискриминатора подключен через пятый фильтр нижних частот, к выходу которого параллельно подключены входы второго фазовращателя, третьей линии задержки и первый вход девятого перемножителя, к выходу третьей линии задержки параллельно подключены вторые входы восьмого и девятого перемножителей, к выходу второго фазовращателя подключен первый вход восьмого перемножителя, выход которого через каскадно включенный шестой фильтр нижних частот подключен к первому входу второго функционального преобразователя, выход девятого перемножителя через каскадно подключенный седьмой фильтр нижних частот подключен ко второму входу второго функционального преобразователя, выход которого через каскадно включенный третий управитель подключен к выходу автокорреляционного частотного дискриминатора и далее подается на третий вход второго сумматора, который включен в разрыв между первым управителем и управляемым генератором.