МОДУЛЯТОР ДИСКРЕТНОГО СИГНАЛА ПО ВРЕМЕННОМУ ПОЛОЖЕНИЮ
MODULATOR OF DISCRETE SIGNAL BY TIME POSITION

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для формирования дискретных сигналов, модулированных по временному положению, в устройствах для геоэлектроразведки, акустических скважинных излучателях, кардиомониторах, системах связи, диагностики и телеуправления.
Известен модулятор, содержащий квантователь, запоминающее устройство, устройство сравнения, интегратор, источник отрицательного напряжения, генератор тактовых импульсов, первый делитель частоты, ключ, второй делитель частоты, сумматор и генератор функций Уолша (см. Хармут Х.Ф. Передача информации ортогональными функциями. - М.: Связь, 1975, стр.132, рис.3.27).
Однако выходные сигналы, формируемые этим устройством, имеют низкую помехоустойчивость, так как обладают плохими корреляционными свойствами - амплитуды боковых пиков автокорреляционных функций этих сигналов близки к значению 1.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является модулятор дискретного сигнала по временному положению, содержащий квантователь, запоминающий блок, ключ, сумматор, генератор функций Уолша, блок сравнения, интегратор, источник отрицательного напряжения, генератор тактовых импульсов, первый и второй делители частоты, генератор прямоугольных колебаний, счетчик, коммутатор и умножитель, причем квантователь, запоминающий блок, ключ, сумматор, генератор функций Уолша соединены последовательно, первый вход квантователя является входом модулятора, выход запоминающего блока соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом интегратора, первый вход которого соединен с выходом источника отрицательного напряжения, а выход блока сравнения соединен с вторыми входами запоминающего блока и интегратора, второй вход ключа соединен с выходом генератора тактовых импульсов и входом первого делителя частоты, выход которого соединен с вторым входом сумматора и входом второго делителя частоты, выход которого соединен с установочным входом квантователя, с вторым входом счетчика и третьим входом интегратора, выход сумматора соединен с входом генератора прямоугольных колебаний и первым входом счетчика, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами коммутатора, третий вход которого соединен с выходом источника отрицательного напряжения, выход генератора функций Уолша соединен с первым входом умножителя, второй вход которого соединен с выходом коммутатора, выход умножителя является выходом модулятора (см. авторское свидетельство СССР на изобретение №1800641, кл. H04L 27/12 от 23.08.90, опубликовано в бюллетене №9 от 07.03.93).
Однако выходные сигналы, формируемые этим модулятором, имеют низкую помехоустойчивость, так как обладают плохими корреляционными свойствами - большими амплитудами боковых пиков автокорреляционных функций этих сигналов.
Целью изобретения является повышение помехоустойчивости выходных сигналов путем уменьшения амплитуды боковых пиков их автокорреляционных функций.
n
Поставленная цель достигается тем, что в известный модулятор дискретного сигнала по временному положению, содержащий квантователь, запоминающий блок, ключ, сумматор, генератор функций Уолша, блок сравнения, интегратор, источник отрицательного напряжения, генератор тактовых импульсов, первый и второй делители частоты, генератор прямоугольных колебаний, счетчик, коммутатор и умножитель, причем квантователь, запоминающий блок, ключ, сумматор, генератор функций Уолша соединены последовательно, первый вход квантователя является входом модулятора, выход запоминающего блока соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом интегратора, первый вход которого соединен с выходом источника отрицательного напряжения, а выход блока сравнения соединен с вторыми входами запоминающего блока и интегратора, второй вход ключа соединен с выходом генератора тактовых импульсов и входом первого делителя частоты, выход которого соединен с вторым входом сумматора и входом второго делителя частоты, выход которого соединен с установочным входом квантователя, вторым входом счетчика и третьим входом интегратора, выход сумматора соединен с входом генератора прямоугольных колебаний и первым входом счетчика, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами коммутатора, третий вход которого соединен с выходом источника отрицательного напряжения, выход генератора функций Уолша соединен с первым входом умножителя, второй вход которого соединен с выходом коммутатора, выход умножителя является выходом модулятора, введены вход начальной установки модулятора и n-разрядный регистр памяти (где 2 - число функций, формируемых генератором функций Уолша), причем выход второго делителя частоты соединен с входом разрешения выдачи хранимого кода регистра памяти, выходы разрядов регистра памяти подключены к одноименным входам разрядов счетчика, вход начальной установки модулятора подключен к установочному входу квантователя, второму входу счетчика, третьему входу интегратора и входу разрешения выдачи хранимого кода регистра памяти.
На фиг.1 представлена структурная схема модулятора дискретного сигнала по временному положению, на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу, на фиг.3 - вид сигналов на выходе генератора функций Уолша, на фиг.4 - вид сигналов на выходе прототипа, на фиг.5 - вид автокорреляционных функций сигналов, формируемых прототипом, на фиг.6 - вид сигналов на выходе предлагаемого модулятора, на фиг.7 - вид автокорреляционных функций сигналов, формируемых предлагаемым модулятором.
Модулятор дискретного сигнала по временному положению содержит источник 1 отрицательного напряжения, интегратор 2, блок 3 сравнения, квантователь 4, запоминающий блок 5, генератор 6 тактовых импульсов, первый делитель 7 частоты, сумматор 8, ключ 9, второй делитель 10 частоты, генератор 11 функций Уолша, генератор 12 прямоугольных колебаний, счетчик 13, коммутатор 14, умножитель 15, регистр 16 памяти, вход 17 начальной установки модулятора.
Модулятор работает следующим образом.
n
n-2
До начала работы модулятора в n-разрядный регистр 16 памяти (где 2 - число функций, формируемых генератором функций Уолша), заносится число 2, представленное в двоичном виде, при этом порядковый номер разряда увеличивается по направлению слева направо, от младшего разряда к старшему. Например, для случая n=3 (когда число функций Уолша равно 8) в регистр 16 памяти записывается кодовая последовательность «010», то есть число 2, представленное в двоичном виде. Для случая n=5 (когда число функций Уолша равно 32) в регистр 16 памяти записывается кодовая последовательность «00010», то есть число 8, представленное в двоичном виде, и так далее.
В начальный момент времени напряжение на выходе квантователя 4 равно нулю, следовательно, на выходе запоминающего блока 5 оно также равно нулю. Напряжение на выходе интегратора 2 в начальный момент времени тоже равно нулю. Поскольку на входы блока 3 сравнения поступают одинаковые напряжения, равные нулю, на выходе блока 3 сравнения вырабатывается импульс, устанавливающий интегратор 2 и запоминающий блок 5 в начальное состояние.
Перед началом работы модулятора на вход 17 начальной установки модулятора подается импульс, поступающий на вход разрешения выдачи хранимого кода регистра 16 памяти и на вход разрешения записи информации в разряды счетчика 13. Поскольку информационные выходы разрядов регистра 16 памяти подключены к соответствующим входам разрядов счетчика 13, то состояние разрядов счетчика приобретет вид «010» для n=3, «0010» - для n=4, «00010» - для n=5 и так далее.
n
Входной модулирующий сигнал (фиг.2, а) поступает на вход квантователя 4, который периодически производит отсчеты значений входного сигнала в моменты времени 0, θ, 2θ, …, и производит их квантование. Число уровней квантования равно числу элементов функций Уолша (для рассматриваемого случая пусть 2=8) (фиг.2, б). Полученные напряжения запоминаются на определенные промежутки времени в запоминающем блоке 5 (фиг.2, в).
На выходе интегратора 2 получается положительное пилообразное напряжение (фиг.2, г). Блок 3 сравнения напряжений вырабатывает импульс в тот момент времени, когда пилообразное напряжение достигает величины напряжения на выходе запоминающего блока 5 (фиг.2, д). Этот импульс приводит в начальное состояние схему запоминающего блока 5 и интегратора 2. На выходе запоминающего блока 5 формируются положительные импульсы, длительность которых пропорциональна значению квантованного напряжения (фиг.2, в). При поступлении этих импульсов на первый (управляющий) вход ключа 9 ключ оказывается открытым, а импульсы от генератора 6 тактовых импульсов (фиг.2, е) оказываются на выходе ключа 9 (фиг.2, з).
Делитель 7 частоты образует из последовательности импульсов с выхода генератора 6 тактовых импульсов последовательность импульсов, имеющую гораздо больший период (фиг.2, ж). Эта последовательность импульсов идет через сумматор 8 на тактовый вход генератора 11 функций Уолша, генерирующий определенную функцию Уолша, например Wal(3, θ). Импульсы с выхода ключа 9 через сумматор 8 добавляются к импульсам с выхода делителя 7 частоты сразу после моментов времени 0, θ, 2θ, … Так как период импульсов с выхода ключа 8 значительно меньше, чем период импульсов с выхода делителя 7 частоты, то на выходе генератора 11 функций Уолша формируется функция Уолша, промодулированная по фазе. Причем фазовый сдвиг пропорционален значению квантованного напряжения входного сигнала, получаемого на выходе квантователя 4. Например, если значение квантованного напряжения равно 0, то фазовый сдвиг равен 0. Если значение квантованного напряжения равно 1, то фазовый сдвиг осуществляется на один элемент функции Уолша. Если значение квантованного напряжения равно 2, то фазовый сдвиг осуществляется на 2 элемента функции Уолша и так далее (фиг.2, к).
Делитель 10 частоты образует из последовательности импульсов с выхода делителя 7 частоты импульсы, которые запускают схему квантователя 4 в моменты времени 0, θ, 2θ, … (фиг.2, й). Эти же импульсы поступают на второй вход начала интегрирования интегратора 2 и запускают его в работу, а также на вход разрешения выдачи хранимого кода регистра 16 памяти и на вход разрешения записи информации в разряды счетчика 13, в результате чего состояние разрядов счетчика 13 определяется кодом, записанным в регистре 16 памяти.
j
Последовательность импульсов, поступающая на вход генератора 11 функций Уолша, поступает также на входы генератора 12 прямоугольных колебаний и на счетный вход счетчика 13. Так как состояние разрядов счетчика имеет вид, определяемый кодом «010», то при поступлении первых двух импульсов с выхода сумматора 8 на выходе счетчика 13 формируется «0», при поступлении следующих четырех импульсов на выходе счетчика 13 формируется «1», при поступлении еще двух импульсов опять формируется «0», а затем процесс повторяется до наступления следующего момента θ (фиг.2, н).
n-2
n-1
n-2
j
Для n>3 при поступлении первых 2 импульсов с выхода сумматора 8 на выходе счетчика 13 формируется «0», при поступлении следующих 2 импульсов на выходе счетчика 13 формируется «1», при поступлении следующих 2 импульсов на выходе счетчика 13 формируется «0», а затем процесс повторяется до наступления следующего момента θ.
Коммутатор 14 устроен так, что при поступлении на его второй (управляющий) вход «0» на его выходе формируется сигнал, поступающий на первый (информационный) вход, а при поступлении на его второй (управляющий) вход «1», на его выходе формируется сигнал, поступающий на его третий (информационный) вход.
n-2
n-1
n-2
j
Следовательно, при поступлении первых 2 импульсов с выхода сумматора 8 после моментов времени 0, θ, 2θ, …, на выходе коммутатора 14 формируется сигнал с выхода генератора 12 прямоугольных колебаний (фиг.2, л), при поступлении следующих 2 импульсов с выхода сумматора 8 на выходе коммутатора 14 формируется сигнал с выхода источника 1 отрицательного напряжения (фиг.2, м), при поступлении следующих 2 импульсов с выхода сумматора 8 на выходе коммутатора 14 формируется сигнал с выхода генератора 12 прямоугольных колебаний (фиг.2, л), а затем процесс повторяется до наступления следующего момента θ. Сигнал с выхода коммутатора 14 имеет вид, представленный на фиг.2, о.
Сигнал с выхода коммутатора 14 поступает на вход умножителя 15 и умножается на функцию Уолша. На выходе умножителя 15 формируется сигнал, модулированный по временному положению (фиг.2, п).
Период следования импульсов с выхода генератора 6 тактовых импульсов можно выбрать таким малым по сравнению с длительностью элементов функций Уолша, что короткими элементами на фиг.2 л, о, п можно пренебречь (на чертеже они показаны только для объяснения механизма осуществления фазового сдвига функций Уолша и фазового сдвига выходного сигнала).
На фиг.3 представлен вид сигналов, формируемых генератором 11 функций Уолша. На фиг.4 представлен вид выходных сигналов, формируемых прототипом в случае сдвига фазы, равного 0. На фиг.5 представлены автокорреляционные функции сигналов, формируемых прототипом. На фиг.6 представлен вид выходных сигналов, формируемых предлагаемым модулятором в случае сдвига фазы, равного 0. На фиг.7 представлены автокорреляционные функции сигналов, формируемых предлагаемым модулятором.
Система выходных сигналов, формируемых предлагаемым модулятором, как и система выходных сигналов, формируемых прототипом, является ортогональной, в чем легко убедиться путем перемножения любых сигналов системы и интегрирования результата перемножения в течение периода времени Т.
Поскольку работа демодулирующей схемы основана на тех же принципах, что и схема модулятора, в состав демодулирующей схемы обязательно входят корреляторы или согласованные фильтры (см. Хармут Х.Ф. Передача информации ортогональными функциями. - М.: Связь, 1975, стр.133).
Это обусловливает высокие требования к помехоустойчивости выходных сигналов модулятора, а следовательно, к автокорреляционной функции выходного сигнала.
Известно, что автокорреляционная функция сигнала S(t) определяется выражением
где τ - величина временного сдвига сигнала.
Из выражения (1) видно, что R(τ) характеризует степень связи (корреляции) сигнала S(t) с его копией, сдвинутой на величину τ по оси времени.
Ясно, что функция R(t) достигает максимума при τ=0, так как любой сигнал полностью коррелирован с самим собой. При этом
то есть максимальное значение автокорреляционной функции равно энергии сигнала (см. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Советское радио, 1971, стр.68).
0
0
Для случая сигналов, пронормированных по энергии с учетом Е=1, автокорреляционная функция сигнала состоит из центрального пика с амплитудой 1, размещенного на интервале (-τ, τ) и боковых пиков, распределенных на интервалах
0
0
(-Т, -τ) и (τ, Т). Амплитуды боковых пиков принимают различные значения, но у сигналов с хорошими корреляционными свойствами они малы, то есть существенно меньше амплитуды центрального пика, равной 1 (см. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985, стр.30).
Легко проверить, что поскольку в предлагаемом модуляторе при временном сдвиге часть функции (то есть выходного сигнала), которая выдается за пределы начала периода из-за сдвига, добавляется с другой стороны функции (то есть выходного сигнала) (см. Хармут Х.Ф. Передача информации ортогональными функциями. - М.: Связь, 1975, стр.131), то значения амплитуд боковых пиков автокорреляционных функций сигналов со временным сдвигом не изменяются, а изменяется только расположение боковых пиков относительно основного пика.
Сигналы, обладающие меньшими по амплитуде боковыми пиками автокорреляционных функций, являются более помехоустойчивыми.
Значения боковых пиков функции автокорреляции, которые обычно меньше основного, зависят от реально используемой кодовой последовательности (в нашем случае - сигнала на выходе модулятора) и являются следствием частичной корреляции кодовой последовательности с той же кодовой последовательностью, сдвинутой во времени. При возникновении таких боковых пиков функции корреляции способность приемника (в нашем случае - демодулирующего устройства) к установлению надежной синхронизации ухудшается, так как в этом случае он должен различать основной и максимальный боковой пики функции корреляции (см. Диксон Р.К. Широкополосные системы. - М.: Связь, 1979, стр.67).
Функция автокорреляции представляет наибольший интерес при выборе кодовых последовательностей для получения наименьшей вероятности установления ложной синхронизации (см. Диксон Р.К. Широкополосные системы. - М.: Связь, 1979, стр.64).
Корреляционные свойства кодовой последовательности (выходного сигнала) характеризует показатель различимости (ПР), определяемый как разность значений функции автокорреляции, соответствующих основному и максимальному боковому пикам. Очевидно, чем больше ПР, тем лучше кодовая последовательность (выходной сигнал модулятора) (см. Диксон Р.К. Широкополосные системы. - М.: Связь, 1979, стр.65, а также стр.66, рис.3.11), тем выше помехоустойчивость модулятора, формирующего этот выходной сигнал.
Авторами предлагаемого изобретения был осуществлен выбор кодов, записываемых из регистра 16 памяти в разряды счетчика 13 перед началом работы модулятора дискретного сигнала по временному положению, позволяющих формировать сигналы, имеющие значительно лучшие по сравнению с прототипом автокорреляционные функции и показатели различимости (ПР), повышающие помехоустойчивость выходных сигналов.
Для выходных сигналов, формируемых аналогом, прототипом и предлагаемым модулятором, были рассчитаны автокорреляционные функции и показатели различимости (ПР).
Результаты расчетов представлены в таблице 1.
Таблица 1
Показатели
Выходные сигналы
Число элементов выходных сигналов, k
8
16
32
Максимальный боковой пик автокорреляционной функции, R(τ)<sub>max</sub>
Формируемые аналогом
0,875
0,9375
0,9687
Формируемые прототипом
0,5
0,75
0,875
Формируемые предлагаемым модулятором
0,25
0,625
0,8175
Показатель различимости, ПР
Формируемые аналогом
0,125
0,0625
0,0313
Формируемые прототипом
0,5
0,25
0,125
Формируемые предлагаемым модулятором
0,75
0,375
0,1875
По результатам, представленным в таблице 1, видно, что предлагаемый модулятор дискретного сигнала по временному положению формирует выходные сигналы, у которых показатель различимости (ПР) больше, чем в аналоге и больше, чем в прототипе на 83,34% и 33, 34% соответственно.
Использование изобретения позволяет создавать модуляторы дискретного сигнала по временному положению, формирующие выходные сигналы, обладающие более высокой помехоустойчивостью за счет улучшения корреляционных свойств выходных сигналов посредством уменьшения амплитуды боковых пиков автокорреляционных функций этих сигналов.