ДЕМОДУЛЯТОР
DEMODULATOR

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в системах передачи дискретной информации по каналам связи.
Информацию передают с помощью сигналов, у которых модулированы параметры (амплитуда, фаза, частота) и характеристики (например, характеристическая функция) по закону телеграфного сообщения.
Характеристическая функция сигнала равна математическому ожиданию от экспоненты с мнимым показателем [Вешкурцев Ю.М. Прикладной анализ характеристической функции случайных процессов. - Москва: Радио и связь, 2003, С. 31, 49].
m
1
m
1
m
m
Θ(V,t)=m{exp(jVu(t))}=A(V,t)+jB(V,t),
m
1
m
m
где V - параметр характеристической функции (х.ф.); u(t) - сигнал, модулированный телеграфным сообщением s(t); A(V,t) - действительная часть х.ф.; B(V,t) - мнимая часть х.ф. Телеграфное сообщение или сигнал s(t) представляет собой последовательность логических «0» и логических «1».
Известно устройство для измерения плотности вероятности фазы сигнала [Патент 2313101. МПК G01R 25/00. Анализатор плотности вероятности фазы сигнала. Опубл. 20.12.2007. Бюл. №35]. Устройство содержит аналого-цифровой преобразователь, перемножители, функциональные преобразователи для получения функций синус и косинус, накапливающие и усредняющие сумматоры текущих значений, оперативный сумматор, дополнительный накапливающий сумматор, блоки выборки и хранения, формирователи стробирующих импульсов и опорного колебания, отсчетный блок с памятью, аналоговый запоминающий блок, блок управления и управляемый генератор.
Устройство позволяет измерять оценки действительной и мнимой частей х.ф. разности фаз сигнала и опорного колебания для определения значений оценки плотности вероятности фазы сигнала. В этом устройстве демодуляция сигнала выполнена с целью получения информации, содержащейся в фазе сигнала, а амплитуда при этом остается постоянной величиной.
Недостатками данного устройства являются ограниченные функциональные возможности, т.к. он не может демодулировать сигнал с амплитудной модуляцией и, к тому же, у него низкая помехоустойчивость.
1с
2к
m
Из известных наиболее близким по технической сущности является демодулятор [Патент 2626332 РФ, МПК H04L 27/06. Способ демодуляции сигнала / Ю.М. Вешкурцев, Н.Д. Вешкурцев, Е.И. Алгазин. - №2016131149; заявл. 27.07.2016, опубл. 26.07.2017. Бюл. №21], содержащий последовательно включенные аналого-цифровой преобразователь, перемножитель, первую и вторую цепи преобразования, каждая из которых содержит последовательно соединенные функциональный преобразователь, накапливающий усредняющий сумматор и пороговое устройство с порогом П в первой цепи, порогом П у порогового устройства во второй цепи, причем стробирующие входы сумматоров объединены и подключены к шине «Синхронизация», а на свободный вход перемножителя подается значение коэффициента V, численно равное параметру характеристической функции.
Принцип работы данного демодулятора состоит в измерении значений оценок действительной  и мнимой  частей характеристической функции входного сигнала и сравнении этих значений с порогами, установленными в демодуляторе. Решение относительно принятого символа телеграфного сигнала принимают в соответствии с выполнением следующих неравенств:
1) если  то считают, что принят логический «0»;
2) если  то считают, что принята логическая «1»;
3) если  то считают, что принят логический «0»;
4) если  то считают, что принята логическая «1».
m
При невыполнении записанных выше неравенств для значения V=1 возникают ошибки в решении относительно принятого символа телеграфного сигнала.
Недостатком демодулятора является низкая помехоустойчивость при отношении сигнал/шум 0,1 и менее.
Задача предлагаемого изобретения - повышение помехоустойчивости до предельной при отношении сигнал/шум на два и более порядка меньше единицы.
1с
2к
m
Указанная задача достигается благодаря тому, что в известный демодулятор, содержащий последовательно включенные аналого-цифровой преобразователь, перемножитель, первую и вторую цепи преобразования, каждая из которых содержит последовательно соединенные функциональный преобразователь, накапливающий усредняющий сумматор и пороговое устройство с порогом П в первой цепи, порогом П у порогового устройства во второй цепи, причем стробирующие входы сумматоров объединены и подключены к шине «Синхронизация», а на свободный вход перемножителя подается значение коэффициента V, численно равное параметру характеристической функции, согласно изобретению введены логические схемы «И» и «ИЛИ-НЕ», выход которой подключен к выходу демодулятора, а первый вход присоединен к выходу порогового устройства второй цепи, тогда как второй вход ее подключен к выходу схемы «И», первый вход которой соединен с выходом порогового устройства первой цепи, а второй вход схемы «И» подключен к шине «Корпус».
На фиг. 1 изображена структурная схема демодулятора, а на фиг. 2 представлены графики изменения телеграфного сигнала и напряжений на выходах пороговых устройств и логических схем.
Структурная схема (фиг. 1) содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, перемножитель 2, синусный 3 и косинусный 4 преобразователи, накапливающие усредняющие сумматоры 5 и 6, пороговые устройства 7 и 8, логическую схему «И» 9, логическую схему «ИЛИ-НЕ» 10.
m
1с
2к
Вход АЦП 1 является входом демодулятора сигнала. Выход АЦП 1 подключен к первому входу перемножителя 2, на второй вход которого поступает код числа, равного V - параметру характеристической функции. Выход перемножителя 2 одновременно подключен к входу синусного 3 и входу косинусного 4 преобразователей, выходы которых в отдельности подсоединены каждый к своему накапливающему усредняющему сумматору 5 и 6 соответственно. Стробирующие входы накапливающих усредняющих сумматоров 5 и 6 объединены и подключены к шине «Синхронизация». Выходы накапливающих усредняющих сумматоров 5 и 6 в отдельности присоединены каждый к своему пороговому устройству 7 и 8 соответственно, в которых установлены пороги П, П соответственно. Выход порогового устройства 7 подключен к первому входу схемы «И» 9, а второй вход этой схемы присоединен к шине «Корпус». Выход порогового устройства 8 соединен с первым входом схемы «ИЛИ-НЕ» 10, ко второму входу которой присоединен выход схемы «И» 9. Выход схемы «ИЛИ-НЕ» 10 является выходом демодулятора.
1
1
m
1
m
m
1
Работает демодулятор следующим образом. На вход демодулятора поступает сигнал u(t), характеристическая функция которого модулирована [Патент 2626554 РФ, МПК Н03С 5/00. Способ модуляции сигнала / Ю.М. Вешкурцев, Н.Д. Вешкурцев, Е.И. Алгазин. - №2016114366; заявл. 13.04.2016, опубл. 28.07.2017. Бюл. №22] телеграфным сигналом (фиг. 2 а). После преобразования в АЦП дискретные мгновенные значения сигнала u(kΔt) перемножаются с параметром V, а произведения преобразуются с целью получения функции sin[u(kΔt)V] и функции cos[Vu(kΔt)]. Накапливающие усредняющие сумматоры 5, 6 работают одновременно. В сумматоре 5 накапливаются текущие значения функции синус, а в сумматоре 6 - текущие значения функции косинус. При появлении импульса синхронизации на стробирующих входах сумматоров на их выходах появляются значения оценок действительной и мнимой частей характеристической функции (х.ф.)
m
1с
2к
Значения оценок х.ф. (1, 2) при равенстве V=1 сравниваются в пороговых устройствах 7, 8 с порогами П, П. Для удобства анализа последовательное соединение блоков 3, 5, 7 будем называть синусным каналом демодулятора, а последовательное соединение блоков 4, 6, 8 - косинусным каналом демодулятора. Сравнение с порогами происходит в соответствии с неравенствами
1) если  то считают, что принят логический «0»;
2) если  то считают, что принята логическая «1»;
3) если  то считают, что принят логический «0»;
4) если  то считают, что принята логическая «1».
1
m
В итоге, на выходе порогового устройства 7 имеем напряжение (фиг. 2б), а на выходе порогового устройства 8 - напряжение (фиг. 2в). Дальнейшее преобразование импульсов напряжения выполняют логические схемы 9, 10. На выходе схемы «И» 9 эпюра напряжения простая (фиг. 2г), поскольку один вход схемы присоединен к шине «Корпус». Тогда на выходе логической схемы «ИЛИ-НЕ» 10 получим телеграфный сигнал (фиг. 2д), который поступает на выход демодулятора. Сравнение телеграфного сигнала (фиг. 2а) с сигналом на выходе демодулятора (фиг. 2д) показывает, что ошибок при демодуляции сигнала u(t) нет. При невыполнении записанных выше неравенств при значении V=1 могут возникнуть ошибки в решении относительно принятого символа телеграфного сигнала, которые снижают помехоустойчивость демодулятора.
Предложенное техническое решение повышает помехоустойчивость демодулятора. Покажем это с помощью анализа помехоустойчивости известного демодулятора [Патент 2626332 РФ, МПК H04L 27/06. Способ демодуляции сигнала / Ю.М. Вешкурцев, Н.Д. Вешкурцев, Е.И. Алгазин. - №2016131149; заявл. 27.07.2016, опубл. 26.07.2017. Бюл. №21] при действии на его входе аддитивной смеси квазидетерминированного сигнала и «белого» шума
2
где n(t) - «белый» шум, u(t) - сигнал. Для последующего описания преобразований введем обозначение входного сигнала демодулятора
0
0
и напомним, что дисперсия его постоянна, причем u(t)=asin(ωt+η), где а, η - случайные величины (амплитуда и угол сдвига фаз соответственно), каждая со своим законом распределения; ω - постоянная круговая частота; u(t) - мгновенные значения сигнала, подчиняющиеся закону распределения косинус, и
1
0
0
u(t)=es(t)+asin(ωt+η),
0
где e - математическое ожидание сигнала; s(t) - телеграфный сигнал.
Характеристические функции «белого» шума и сигнала с законом распределения косинус имеют вид
где  - дисперсия «белого» шума. Известно свойство х.ф. о том, что х.ф. суммы независимых случайных процессов равна произведению характеристических функций отдельных слагаемых. Следовательно, х.ф. аддитивной смеси (3) будет равна произведению характеристических функций сигнала и «белого» шума.
m
При значении V=1 определим для аддитивной смеси (3) действительную часть х.ф.
c
ш
m
где h=σ/σ - отношение сигнал/шум; W(z) - плотность вероятности аддитивной смеси. Когда s(t)=0, аналогично (5) вычислим при значении V=1 для аддитивной смеси (3) мнимую часть х.ф.
1с
2к
0
Результаты (5), (6) нуждаются в количественном анализе. В табл. 1, 2 представлены результаты вычислений оценок х.ф. для сравнения значений оценок с порогами в синусном и косинусном каналах демодулятора при П=0,3, П=0,6, е=0,8.
Анализ данных табл. 1 показывает, что в косинусном канале демодулятора логический «0» определяется без ошибок в диапазоне отношений сигнал/шум от 1 до 100. В табл. 2 представлены идеальные результаты, т.к. логический «0» в синусном канале демодулятора определяется без ошибок, т.е. с предельной помехоустойчивостью, при любом отношении сигнал/шум.
m
Пусть на входе демодулятора аддитивная смесь (3) содержит нецентрированный квазидетерминированный сигнал, это соответствует условию s(t)=l. Аналогично (5) при значении V=1 определим
m
или аналогично (6) при значении V=1 вычислим
1с
2к
0
Результаты (7), (8) нуждаются в количественном анализе. В табл. 3, 4 представлены результаты вычислений оценок х.ф. для сравнения значений оценок с порогами в синусном и косинусном каналах демодулятора при П=0,3, П=0,6, е=0,8.
При выбранных значениях порогов по данным табл. 3, 4 различение логической «1» от логического «0» в синусном канале демодулятора происходит без ошибок в диапазоне отношений сигнал/шум от 1 до 100. При этом в косинусном канале демодулятора предельная помехоустойчивость сохраняется при отношении сигнал/шум от 0,001 и выше без ограничения.
Для совершенствования структуры известного демодулятора [Патент 2626332 РФ, МПК H04L 27/06. Способ демодуляции сигнала / Ю.М. Вешкурцев, Н.Д. Вешкурцев, Е.И. Алгазин. - №2016131149; заявл. 27.07.2016, опубл. 26.07.2017. Бюл. №21] выходы синусного и косинусного каналов можно объединить с помощью дополнительного устройства, которое позволит реализовать возможности синусного канала идеально определять логический «0» и косинусного канала - логическую «1». В такой конфигурации получим новый демодулятор, показанный на фиг. 1, с предельной помехоустойчивостью при работе в канале с шумами при отношении сигнал/шум на два и более порядка меньше единицы.
Таким образом, введение дополнительных логических схем в структуру известного демодулятора позволяет объединить воедино достоинства синусного и косинусного каналов и получить предельную помехоустойчивость устройства при отношении сигнал/шум на два и более порядка меньше единицы.