СПОСОБ ПРИЕМА ШУМОПОДОБНЫХ ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ
METHOD OF RECEIVING NOISE-LIKE PHASE-SHIFT KEYED SIGNALS

Предлагаемый способ относится к области радиотехники и может найти применение в радиоприемных устройствах систем радиосвязи с шумоподобными сигналами, полученными манипуляцией фазы сигнала несущей частоты псевдослучайной последовательностью (ПСП).
Известны способы приема и приемники шумоподобных фазоманипулированных (ФМн) сигналов (авт. свид. СССР №№540.230, 683.030, 1.215.189, 1.467.784, 1.718.695, 1.758.883, 1.785.410, 1.799.226, 1.799.227, 1.840.539, 1.840.708; патенты РФ №№2.001.533, 2.007.040, 2.115.251, 2.181.528, 2.187.901, 2.196.385, 2.305.909, 2.379.837, 2.479.120; патенты США №№3.702.475, 3.815.028, 4.538.111, 5.280.638, 6.510.313, 7.742.914; патент ЕР №1.947.642; Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985, с. 316 и другие).
Из известных способов и устройств наиболее близким к предлагаемому является «Способ инверсно-квадратурного восстановления несущей частоты фазоманипулированного сигнала» (патент РФ №2.187.901, H4Y L 27(22, 2001), который и выбран в качестве прототипа.
Следует отметить, что классический приемник шумоподобных фазоманипулированных сигналов содержит последовательно включенные приемную антенну 1, усилитель 2 высокой частоты, смеситель 4, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 3, усилитель 5 промежуточной частоты, удвоитель 7 фазы, делитель 8 фазы на два, узкополосный фильтр 9 и фазовый детектор 10, второй вход которого соединен с выходом усилителя 5 промежуточной частоты, а выход является выходом приемника (фиг. 1). Удвоитель 7 фазы, делитель 8 фазы на два и узкополосный фильтр 9 образуют устройство 6 формирования опорного напряжения.
up
c
3
Указанный приемник построен по супергетеродинной схеме, в нем одно и то же значение промежуточной частоты ω может быть получено в результате приема сигналов на двух частотах ω и ω, т.е.
и
с
3
с
up
г
Следовательно, если частоту настройки ω принять за основной канал приема, то наряду с ним будет иметь место зеркальный канал приема, частота ω которого отличается от частоты ω на 2 ω и расположена симметрично (зеркально) относительно частоты ω гетеродина (фиг. 2).
пр
Преобразование по зеркальному каналу приема происходит с тем же коэффициентом преобразования К, что и по основному каналу приема. Поэтому он наиболее существенно влияет на избирательность и помехоустойчивость приемника.
Кроме зеркального, существуют и другие дополнительные (комбинационные) каналы приема. В общем виде любой комбинационный канал приема имеет место при выполнении условия:
ki
где ω частота i-го комбинационного канала приема;
m, n, i - целые положительные числа.
Наиболее вредными комбинационными каналами приема являются каналы, образующие при взаимодействии несущей частоты принимаемого сигнала с гармониками частоты гетеродина малого порядка (второй, третьей), так как чувствительность приемника по этим каналам близка к чувствительности основного канала.
Так, двум комбинационным каналам при m=1 и n=2 соответствуют частоты:
и
Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам, приводит к снижению избирательности и помехоустойчивости приемника.
up
up
Для демодуляции принимаемого ФМн сигнала используются фазовый детектор, который представляет собой последовательно соединенные перемножитель и фильтр нижних частот. При этом на первый (информационный) вход перемножителя поступает принимаемый ФМн сигнал на промежуточной частоте ω, а на второй (опорный) вход - опорное напряжение промежуточной частоты ω с постоянной начальной фазой.
Следовательно, для синхронного детектирования принимаемого сигнала необходимо опорное напряжение, имеющее ту же частоту, что и принимаемый ФМн сигнал, и постоянную начальную фазу.
Принципиально возможны три способа получения опорного напряжения, необходимого для синхронного детектирования, принимаемого ФМн сигнала (Дикарев В.И. Методы и технические решения приема и обработки радиосигналов. Учебник, СПб, 2000, с. 85-143):
- от местного генератора;
- с помощью вспомогательного пилот-сигнала, передаваемого по отдельному каналу;
- непосредственно из самого принимаемого ФМн сигнала.
Первый способ не обеспечивает необходимой синфазности и синхронности колебаний, так как фаза и частота любого высокостабильного генератора изменяется под влиянием различных дестабилизирующих факторов.
Второй способ получения опорного напряжения также не нашел широкого практического применения, поскольку его техническая реализация приводит к потерям спектра и мощности в канале на передачу пилот-сигнала.
Наибольшее распространение получил способ получения опорного напряжения непосредственно из самого принимаемого ФМн сигнала.
В настоящее время разработан ряд оригинальных схем для выделения опорного напряжения из самого принимаемого ФМн сигнала (например, схемы Пистолькорса А.А., Сифорова В.И., Травина Г.А., Костаса Д.Ф. и другие).
Однако указанным схемам присуще явление «обратной работы», которое значительно снижает достоверность выделения модулирующего кода из принимаемого ФМн сигнала, т.е достоверность синхронного детектирования принимаемого ФМн сигнала.
Кратко прокомментируем указанные обстоятельства.
Принимаемый ФМн
c
с
с
с
где U, ω, φ, Т - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала;
k
k
э
э
э
φ(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (фиг. 3. а), причем φ(t)=const при kτ<t<(k+1)τ и может изменяться скачком при t=kτ т.е на границах между элементарными посылками (к=1, 2,…, N):
э
с
с
э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т (Т=N·τ),
с выхода антенны 1 через усилитель 2 высокой частоты поступает на вход смесителя 4, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 3
На выходе смесителя 4 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 5 выделяется напряжение промежуточной частоты (фиг. 3. б)
где ;
- промежуточная частота,
которое поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 10 и на вход удвоителя 7 фазы.
На выходе последнего образуется гармоническое колебание (фиг. 3. в)
где
up
1
Удвоитель 7 фазы представляет собой перемножитель, на два входа которого подается одно и то же напряжение u(t). Напряжение U(t) поступает на вход делителя 8 фазы на два, на выходе которого образуется гармоническое колебание (фиг. 3. г)
которое выделяется узкополосным фильтром 9 и подается на второй (опорный) вход фазового детектора 10. В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 10 образуется низкочастотное напряжение (фиг. 3. д)
где , пропорциональное модулирующему коду M(t) (фиг. 3. а).
up
k
up
up
1
2
Так как отсутствует признак, который мог бы привязать начальную фазу опорного напряжения φ к одной из фаз сигнала φ(t)={0, π}, то под действием помех, кратковременного прекращения приема и других факторов начальная фаза опорного напряжения может иметь два значения: φ и φ+π. Переход из одного состояния в другое может происходить в случайные моменты времени (например, t - перескок начальной фазы на 180°, t - возвращение начальной фазы в исходное состояние) - (фиг. 3. е).
3
2
1
н1
Следовательно, опорное напряжение u(t) на участке Δt=t-t будет иметь неустойчивую начальную фазу, что приводит к тому, что выделяется искаженное низкочастотное напряжение u(t) (фиг. 3. ж), которое отличается от модулирующего кода M(t) (фиг. 3. а), что снижает достоверность синхронного детектирования принимаемого ФМн сигнала. В этом и заключается явление «обратной работы» (в качестве примера приведена схема Пистолькорса А.А).
То обстоятельство, что начальная фаза выделяемого опорного напряжения может занимать два состояния, можно показать аналитически.
Если произвести деление, аналогичное предыдущему, но предварительно добавив к аргументу 2π, что не изменяет исходного напряжения, то получим выражение
Следовательно, делитель 8 фазы на два под действием помех, кратковременного прекращения приема и других дестабилизирующих факторов работает неустойчиво и является одной из причин образования явления «обратной работы».
Указанные выше недостатки классического приемника шумоподобных фазоманипулированных сигналов присущи и известному «Способу инверсно-квадратурного восстановления несущей частоты фазоманипулированного сигнала» (патент РФ №2.187.901, Н04L 27/22, 2001).
Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости приема шумоподобных фазоманипулированных сигналов и достоверности синхронного их детектирования путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам, и устранения явления «обратной работы».
г
с
г
c
г
с
г
с
Поставленная задача решается тем, что способ приема шумоподобных фазоманипулированных сигналов, заключающийся в соответствии с ближайшим аналогом в том, что принимают и разветвляют шумоподобный фазоманипулированный сигнал и генерируют перестраиваемый по частоте синусоидальный сигнал, которым преобразуют одну ответвленную часть принимаемого сигнала, отличается от ближайшего аналога тем, что выбирают частоту ω генерируемого сигнала равной несущей частоте ω принимаемого шумоподобного фазоманипулированного сигнала ω=ω, в процессе преобразования одной ответвленной части принимаемого шумоподобного фазоманипулированного сигнала выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду, используют его для дальнейшего анализа и перемножения с другой ответвленной частью принимаемого шумоподобного фазоманипулированного сигнала, выделяют гармоническое колебание, сравнивают его по частоте и фазе с генерируемым синусоидальным сигналом и формируют управляющий сигнал, которым воздействуют на генерируемый сигнал и автоматически обеспечивают равенство ω=ω, причем амплитуду и полярность управляющего сигнала определяют степенью и стороной отклонения частоты ω генерируемого сигнала от несущей частоты ω принимаемого шумоподобного фазоманипулированного сигнала.
Структурная схема приемника, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг. 4.
Приемник шумоподобных фазоманипулированных сигналов сдержит последовательно включенные приемную антенну 1, усилитель 2 высокой частоты, разветвитель 11, смеситель 4, второй вход которого соединен с выходом генератора 3, управляемого напряжением, первый фильтр 12 нижних частот, перемножитель 13, второй вход которого соединен вторым выходом разветвителя 11, узкополосный фильтр 14, фазовый детектор 15, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора 3 управляемого напряжением, и второй фильтр 16 нижних частот, выход которого подключен к управляющему входу генератора 3 управляемого напряжения.
Предлагаемый способ реализуют следующим образом.
Принимаемый шумоподобный ФМн сигнал
с выхода антенны 1 через усилитель 2 высокой частоты поступает на вход разделителя 11. Одна часть принимаемого ФМн сигнала поступает на первый вход смесителя 4, на второй вход которого подается напряжение генератора 3
.
г
с
При этом частота ω генератора 3 выбирается равной несущей частоте ω принимаемого шумоподобного ФМн сигнала
В этом случае на выходе смесителя 4 образуется низкочастотное напряжение (фиг. 3, д)
где
пропорционально модулирующему коду M(t) (фиг. 3, а).
Это напряжение выделяется фильтром 12 нижних частот и поступает на выход приемника для дальнейшей обработки и на второй вход перемножителя 13, на первый вход которого подается вторая часть принимаемого шумоподобного ФМн сигнала.
На выходе перемножителя 13 образуется гармоническое колебание
где
г
которое выделяется узкополосным фильтром 14 и поступает на первый вход фазового детектора 15, на второй вход которого подается напряжение U(t) генератора 3.
с
Так как несущая частота ω принимаемого шумоподобного ФМн сигнала может измениться под воздействием различных дестабилизирующих факторов, в том числе и эффекта Доплера, то в предлагаемом способе используется фазовая система автоматической подстройки частоты (ФАПЧ), состоящая из перемножителя 13, узкополосного фильтра 14, фазового детектора 15 и фильтра 16 нижних частот.
4
г
г
Если гармонические колебания u(t) и u(t) будут отличаться друг от друга по частоте или фазе, то на выходе фазового детектора 15 образуется управляющее низкочастотное напряжение, которое выделяется фильтром 16 нижних частот и воздействует на управляющий вход перестраиваемого по частоте генератора 3, изменяя его частоту ω так, чтобы выполнялось равенство:
г
с
При этом амплитуда и полярность управляющего низкочастотного напряжения определяются степенью и стороной отклонения частоты ω от несущей частоты ω принимаемого шумоподобного ФМн сигнала.
с
В процессе изменения несущей частоты ω принимаемого шумоподобного ФМн сигнала указанное равенство будет автоматически поддерживаться системой ФАПЧ.
Следовательно, предлагаемая схемная конструкция выполняет одновременно две функции: преобразователя частоты и синхронного демодулятора принимаемого шумоподобного сигнала. При этом за счет преобразования принимаемого шумоподобного ФМн сигнала на низкую частоту отсутствуют дополнительные каналы приема. Нет причины и для явления «обратной работы».
Таким образом, предлагаемый способ приема шумоподобных Фмн сигналов по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение помехоустойчивости приема шумоподобных фазоманипулированных сигналов и достоверности синхронного их детектирования. Это достигается путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам, и устранения явления «обратной работы» за счет использования схемной конструкции, которая выполняет две функции: преобразования частоты и синхронной демодуляции принимаемого шумоподобного ФМн сигнала. При этом за счет преобразования принимаемого шумоподобного ФМн сигнала на низкую частоту отсутствуют дополнительные каналы приема. Нет причин и для явления «обратной работы».
Техническая реализация предлагаемого способа не вызывает определенных затруднений и может быть с успехом использована при разработке современных приемников шумоподобных сигналов с бинарной фазовой манипуляцией.