СПОСОБ КОГЕРЕНТНОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ С АБСОЛЮТНОЙ ФАЗОВОЙ МАНИПУЛЯЦИЕЙ НА 180º И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR COHERENT DETECTION OF SIGNALS WITH ABSOLUTE PHASE-SHIFT KEYING BY 180º AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к области приема радиосигналов.
Известны способы и устройства приема сигналов с абсолютной фазовой манипуляцией (ФМн) на 180°, описанные в различных источниках, например в:
1. Петрович Н.Т. Передача дискретной информации в каналах с фазовой манипуляцией. - М.: Сов. Радио, 1965.
2. Окунев Ю.Б. Цифровая передача информации фазоманипулированными сигналами. - М.: Радио и связь, 1991.
3. Горелов Г.В., Волков А.А., Шелухин В.И. Каналообразующие устройства железнодорожной телемеханики и связи. - М.: ГОУ. 2007.
По технической сущности наиболее близким к изобретению являются способ и устройство, описанные в первом источнике, который по этой причине и принимается за его прототип. В остальных источниках описаны аналоги изобретения.
Прототип-способ когерентного детектирования сигнала с абсолютной ФМН на 180° состоит в том, что из этого сигнала вначале формируется когерентное опорное немодулированное колебание - колебание несущей частоты, которое затем перемножается с входным ФМн на 180° сигналом, после чего результат перемножения фильтруется по низкой частоте (н.ч.) для получения переданного цифрового сигнала (ЦС).
Прототип-устройство состоит из перемножителя сигналов, формирователя опорного колебания (ФОК), фильтра нижних частот (ФНЧ), причем ФНЧ подключен к выходу перемножителя, входы которого соединены между собой через ФОК.
Сформированное опорное колебание из входного ФМн на 180° сигнала имеет случайные во времени скачки фазы на 180°, при которых ЦС на выходе ФНЧ принимается наоборот: единицы - нулями, а нули - единицами. Это явление получило название обратной работы когерентного детектора сигналов с абсолютной ФМн на 180°, которая полностью нарушает связь и поэтому данный вид модуляции на практике не используется. Вместо абсолютной на практике используют относительную ФМн (ОФМн) на 180°, которая не полностью устраняет обратную работу, обеспечивает вероятность ошибки приема сигналов в 2 раза большую, чем абсолютная ФМн на 180° при отсутствии обратной работы.
Основным недостатком прототипа является наличие обратной работы когерентного детектора сигналов с абсолютной ФМн на 180°, не позволяющая использовать ее на практике для получения максимальной возможной помехоустойчивости приема данных сигналов. Используемая на практике ОФМн обеспечивает в 2 раза большую вероятность ошибки приема сигналов по сравнению с абсолютной ФМн и не полностью устраняет обратную работу когерентного детектора.
Техническим результатом изобретения является реализация максимально возможной помехоустойчивости приема сигналов за счет исключения обратной работы когерентного детектора сигналов с абсолютной ФМн на 180°, что позволяет использовать ее на практике.
Сущность изобретения состоит в том, что в способ когерентного детектирования сигналов с абсолютной фазовой манипуляцией (ФМн) на 180°, осуществляемый путем перемножения сигнала и опорного колебания несущей частоты, полученным из этого сигнала и последующей низкочастотной (н.ч.) фильтрацией переданного цифрового сигнала (ЦС), в нем после н.ч. фильтрации осуществляют последовательно регенерацию полученного ЦС, фазовую манипуляцию на 180° опорного колебания цифровым сигналом, частотное детектирование этого модулированного колебания для получения фронта и среза импульсов неискаженного переданного ЦС и далее - восстановление по ним неискаженного ЦС (с помощью RS-триггера).
В устройстве же для осуществления способа, состоящем из перемножителя входного сигнала с абсолютной фазовой манипуляцией (ФМн) на 180°, фильтра нижних частот (ФНЧ), подключенного к его выходу, формирователя опорного колебания (ФОК), соединяющего между собой оба входа перемножителя, в него дополнительно введены последовательно подключенные к выходу ФНЧ регенератор ЦС, фазовый манипулятор на 180°, стандартный частотный детектор, RS-триггер, S-вход которого соединен с его R-входом через аналоговый фазоинвертор, а высокочастотный вход фазового манипулятора на 180° соединен с опорным входом перемножителя сигналов непосредственно.
Существенным отличием изобретения являются введенные дополнительные операции и реализующие их элементы, так как только они позволяют полностью исключить обратную работу когерентного детектора сигналов с абсолютной ФМн на 180° и достичь указанного технического эффекта - обеспечения максимально возможной помехоустойчивости приема сигналов. Объекты изобретения иллюстрируются чертежами фигур 1, 2, 3.
На фиг.1 представлены временные диаграммы, поясняющие предложенный способ исключения обратной работы когерентного детектора сигналов с абсолютной ФМн на 180°, где обозначено:
1а - неискаженный передаваемый ЦС;
1б - колебание несущей частоты, промодулированное по фазе на 180° и являющееся входным сигналом детектора;
1в - опорное колебание, восстановленное из входного ФМн на 180° сигнала, которое имеет скачок фазы на 180° в точке х;
1г - продетектированный сигнал, полученный в результате перемножения входного сигнала 16 и опорного колебания 1в с последующей н.ч. фильтрацией результата перемножения;
1д - продетектированный по частоте полученный входной сигнал 1б.
Сигнал 1г отличается от переданного ЦС на фиг.1а после точки х своей полярностью, указывающей на наличие обратной работы когерентного детектора. Сигнал 1г не имеет помех и искажений, чего можно добиться путем регенерации реального сигнала, как это делается в известных цифровых системах, например в ИКМ-30. При перемножении данного знакопеременного сигнала 1г и опорного колебания 1в получается идеальный ФМн на 180° сигнал без скачка фазы на 180° в точке х, так как оба перемножаемых колебания имеют одинаковый знак в этой точке и справа за ней. Теперь такой практически идеальный ФМн на 180° сигнал без помех можно детектировать некогерентно, не снижая помехоусточивости когерентного детектирования. В частности, его можно детектировать по частоте для получения однозначных фронтов и срезов (фиг.1д) передаваемого ЦС (фиг.1а), а по ним восстанавливать и сам неискаженный переданный ЦС с помощью RS-триггера.
На фиг.2 представлена структурная схема устройства, реализующего данный способ, а на фиг.3 - временные диаграммы, поясняющие его работу.
На фиг.1 обозначено:
1 - перемножитель сигналов;
2 - формирователь опорного колебания (ФОК);
3 - фильтр нижних частот (ФНЧ);
4 - регенератор сигнала;
5 - фазовый манипулятор опорного колебания на 180°;
6 - частотный детектор;
7 - RS-триггер;
8 - фазоинвертор.
Введенные элементы обведены пунктирной линией.
Работа схемы происходит следующим образом.
вх
вх
1
вх
2
2
2
2
Входной сигнал u(t) с абсолютной ФМн на 180°, показанный на фиг.1б, поступает на информационный вход перемножителя сигналов 1 непосредственно и параллельно на опорный его вход через ФОК 2 в виде колебания несущей частоты . В развернутом виде u(t)=Usin(ωt+γ(t)∆φ-∆φ). Так как γ(t)=±1 - знак модулирующего сигнала, то изменение фазы колебания несущей частоты с 0 на 180° задается выражением γ(t)∆φ-∆φ, где ∆φ=90°. На выходе перемножителя 1 имеет место колебание u(t)=u(t)u(t)=Usin(ωt+γ(t)∆φ-∆φ)Usinωt=0,5UUcos(γ(t)∆φ-∆φ)-0,5UUcos(2ώt+γ(t)∆φ-∆φ).
ФНЧ 3 пропускает на свой выход только первое слагаемое, отчего на выходе фазового детектора, состоящего из блоков 1, 2, 3, будет н.ч. ЦС
3
3
1
1
3
3
2
u=Ucos(γ(t)∆φ-∆φ)=γ(t)U, где U=0,5UU.
2
3
3
4
2
5
4
2
4
1
2
5
вх
5
4
2
Из-за спонтанных скачков на 180º опорного колебания u(t) закономерность γ(t) нарушается, что отмечено нижним индексом 1 у γ(t). Кроме того, продетектированный ЦС u(t) искажен помехами и условиями передачи, как показано на фиг.3а. Поэтому в регенераторе 4 ЦС u(t) освобождается от помех и искажений (фиг.3б) и затем поступает на информационный вход фазового манипулятора 5 на 180°, на высокочастотный вход которого подается опорное колебание с выхода блока 2. Фазовый манипулятор на 180º 5 выполнен в виде перемножителя знакопеременного ЦС u(t) и опорного колебания u(t), поэтому на его выходе сигнал u(t)=u(t)u(t)=Uγ(t)Usinωt=Usin(ωt+γ(t)∆φ-∆φ), что совпадает с входным сигналом u(t). Здесь U=UU.
2
3
4
4
2
2
5
Случайные скачки фазы на 180º опорного колебания u(t) вызывают такие же скачки фазы н.ч. сигнала u(t) и u(t). Поэтому в блоке 5 перемножаются между собой сигналы u(t) и u(t) одного знака, вызванного случайным скачком фазы на 180° опорного колебания u(t), что исключает эти скачки в сигнале u(t).
5
Такой идеальный ФМн на 180° сигнал u(t) поступает на стандартный частотный детектор (СЧД) типа дробный детектор 6, который диференцирует по времени фазу этого сигнала. Поэтому на выходе блока 6 имеют место короткие импульсы соответствующей полярности, представляющие собой фронт и срез переданного ЦС, как показано на фиг.1д. С блока 6 эти короткие импульсы поступают на S- вход RS-триггера 7 непосредственно и параллельно на его R-вход - через аналоговый фазоинвертор 8. На выходе блока 7 имеет место неискаженный переданный ЦС, как показано на фиг.1а.
Отметим, что помехоустойчивость приема сигналов определяется первым когерентным детектором, выполненным на блоках 1, 2, 3 фиг.2. Введенные элементы, обведенные пунктирной линией, только устраняют его обратную работу. Детектировать ФМн сигнал непосредственно частотным детектором с RS-триггером практически невозможно, так как от помех манипуляция фазы на 180° размыта (фиг.3) и поэтому импульсы на выходе частотного детектора (фиг 1д) могут даже пропадать.
Отметим также, что в качестве блока ФОК 2 может быть любой известный формирователь по способам Пистолькорса, Сифорова, Агеева, Костаса и др. Технико-экономическим эффектом изобретения является обеспечение максимально возможной помехоустойчивости приема сигналов за счет использования предложенного способа и устройства устранения обратной работы когерентного детектора сигналов с абсолютной ФМн на 180°. По сравнению с относительной ФМн (ОФМн) на 180°, которая является наиболее помехоустойчивой из всех используемых на практике, выигрыш составляет 2 дБ.