МОДЕМ QPSK, МОДИФИЦИРОВАННЫЙ С ЦЕЛЬЮ СУЩЕСТВЕННОГО ПОВЫШЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПРИЁМНИКА
MODEM QPSK, MODIFIED WITH PURPOSE OF SIGNIFICANT IMPROVEMENT OF RECEIVER SENSITIVITY

Изобретение относится к технике передачи (приема) информации по скоростным информационным радиолиниям в цифровом виде (символами 1 и 0) с помощью фазоманипулированных радиосигналов.
Известны модемы (модуляторы-демодуляторы), работающие в режимах фазовой манипуляции (RU 2477927 С1, RU 2405273 С1, RU 2390101 С1, RU 2205518 CI, RU 1322496 С1), но в них решаются проблемы, не связанные с задачей существенного повышения чувствительности приемника.
Известен модем (модулятор-демодулятор), работающий в режиме QPSK (квадратурная фазовая манипуляция) [1], позволяющий в одном сигнале одновременно передавать (принимать) 2 символа цифровой информации из набора 11, 10, 00, 01 (в отечественной литературе, в частности в [1], для этого режима использовался термин ДФМ - двукратная (4-х позиционная) фазовая манипуляция).
Данный модем может быть прототипом заявляемого устройства и его основной (базовой) частью.
Модулятор модема (передающая сторона, Фиг. 1), содержит косинусный канал, включающий первый перемножитель 2, и синусный канал, включающий фазовращатель на 90° 1 и второй перемножитель 3, при этом на объединенные ВЧ входы косинусного и синусного каналов с входа модулятора поступают непрерывные колебания промежуточной частоты (далее ПЧ), а выходы перемножителей косинусного и синусного каналов подключены к входам сумматора 4, на вторые входы перемножителей поступают логические сигналы информации, причем в канале, на который поступает сигнал логической 1, фаза колебаний сигнала не меняется, а в канале, на который поступает сигнал логического 0, фаза колебаний меняется на 180°, демодулятор модема (приемная сторона, Фиг. 2), содержит косинусный канал, включающий первый перемножитель 10, и синусный канал, включающий фазовращатель на 90° 12 и второй перемножитель 11, при этом на объединенные первые ВЧ входы перемножителей косинусного и синусного каналов с входа демодулятора поступают принимаемые фазоманипулированные сигналы ПЧ, на вторые ВЧ входы перемножителей поступают непрерывные опорные колебания ПЧ от ГУН 13 (генератор, управляемый напряжением ифапч от системы фазовой автоподстройки частоты приемника), при этом в перемножитель косинусного канала - непосредственно, в перемножитель синусного канала - через фазовращатель на 90° 12, а выходы перемножителей подключены к сигнальным входам интеграторов 14 и 15 косинусного синусного каналов соответственно, вторые входы интеграторов подключены к цепи обнуления, по которой с первого выхода решающего устройства 16 поступают сигналы обнуления интеграторов, а выходы интеграторов подключены к сигнальным входам решающего устройства 16, в котором формируются и поступают на выход логические сигналы косинусного и синусного каналов, соответствующие информационным символам: 1, если напряжение на выходе интегратора положительное, или 0, если напряжение отрицательное; выходы решающего устройства 16 подключены к выходам демодулятора.
-4
Недостатком модема прототипа являются высокие требования к отношению сигнал-шум (далее С/Ш) на входе демодулятора приемника. Так, для обеспечения вероятности ошибки не более 10 при абсолютной фазовой манипуляции без использования помехоустойчивого кодирования информации требуется отношение С/Ш=11.4 дБ [1], с помехоустойчивым кодированием - порядка 3 дБ (при этом почти половина бит - контрольные). Выполнение этих требований затруднено в скоростных информационных радиолиниях с широкой полосой пропускания и, соответственно, с большой мощностью шумов.
Задачей изобретения является повышение чувствительности приемников путем уменьшения требований к отношению С/Ш при сохранении почти неизменным самого модема прототипа, что позволит без больших затрат модифицировать имеющиеся модемы.
Это достигается тем, что на выходе модулятора и на входе демодулятора прототипа устанавливаются дополнительные устройства, позволяющие решить эту задачу (на Фиг. 1 и 2 дополнительные устройства и связи выделены пунктирными линиями):
в модуляторе дополнительный перемножитель 5, ВЧ вход которого подключен к выходу сумматора 4, второй вход подключен к выходу формирователя меандра 6, формирующего меандр, синхронный с тактовыми импульсами информации (ТИинф), которые поступают из системы тактовой синхронизации передатчика на вход формирователя меандра 6,
а в демодуляторе дополнительный перемножитель 7, ВЧ вход которого подключен к входу демодулятора, второй вход подключен к выходу формирователя меандра 8, на вход которого поступают тактовые импульсы информации (ТИинф) из системы тактовой синхронизации приемника, а выход дополнительного перемножителя 7 подключен к ВЧ входу узкополосного фильтра 9, второй вход (обнуления) подключен к первому выходу решающего устройства, а выход подключен к объединенным первым ВЧ входам перемножителей 10 и 11.
Ожидаемым техническим результатом заявляемого изобретения является уменьшение требований к отношению сигнал/шум не менее чем на 20 дБ, без помехоустойчивого кодирования, за счет уменьшения шума. Для проверки возможности получения такого результата использовалось компьютерное моделирование работы стандартного модема QPSK, затем модифицированного модема QPSK с дополнительными устройствами, при этом в модеме QPSK:
- длительность сигнала Тс=1 (для удобства моделирования считаем: время - в секундах, частоты - в Гц, далее приводятся только номиналы);
- ширина одностороннего спектра сигнала по первому нулю спектра Fco=1/Тс=1:- ширина двустороннего спектра сигнала по вторым нулям 4Fco;
- промежуточная частота сигнала Fпч=10;
- полоса пропускания сигнала на выходе модулятора, а также сигнала и шумов на входе демодулятора, равна Fпч ± 2Fco;
- сигнал моделировался суммой частей косинусоиды и синусоиды с 10 периодами ПЧ в каждой части и одинаковыми амплитудами;
- спектральная плотность сигнала максимальна на частоте Fпч=10;
- для каждого сигнала контрольного массива моделировался сопутствующий ему шум (шумовой сигнал) как сумма 12 синусоидальных сигналов той же длительности, что и рабочий сигнал, но со случайными амплитудами, начальными фазами и частотами из диапазона Fпч ± 2Fco;
- СКО (среднее квадратичное отклонение) шума было установлено равным 1.
В модуляторе модифицированной QPSK параметры, определяющие отношение С/Ш (длительность и мощность сигнала, полоса пропускания) такие же, как в QPSK. Однако на выходе дополнительного перемножителя 5 модулятора из-за воздействия дополнительной манипуляции меандром изменяется положение максимума спектральной плотности сигнала, при этом:
- в первых боковых лепестках спектра формируются 2 максимума меньшей амплитуды; от частоты F=10 (ПЧ) эти максимумы смещаются вниз и вверх до частот 9.4 и 10.6 соответственно;
- во вторых боковых лепестках происходит то же, но с меньшими амплитудами;
- на частоте F=10 (ПЧ) уровень сигнала почти ноль.
Эти данные будут использованы далее в тексте при объяснении работы заявляемого устройства.
Поскольку параметры, определяющие отношение С/Ш (длительность и мощность сигнала, полоса пропускания) на выходе дополнительного перемножителя 7 модифицированного демодулятора QPSK после деманипуляции сигнала в перемножителе 7 такие же, как на входе демодулятора обычной QPSK, можно провести сравнение эффективности обычной и модифицированной QPSK.
Для этого проводилось сравнение требований к отношению С/Ш при заданном одинаковом контрольном массиве слов, при этом:
-4
- при контрольном массиве 10000 сигналов для получения в прототипе (QPSK) вероятности ошибки не более 10 (1 ошибка на массив) потребовалось отношение С/Ш=3.7 (это необходимое напряжение сигнала, выраженное в количестве СКО шума), то есть 11.36 дБ, что практически совпадает с данными [1] (11.4 дБ);
- при использовании модифицированного модема QPSK потребовалось отношение С/Ш=0.15, при этом энергетический выигрыш, в дБ: 20⋅Lg(3.7/0.15)=27 дБ (Lg - десятичный логарифм).
Такой выигрыш был получен за счет уменьшения шума с помощью приведенных дополнительных устройств модулятора и демодулятора модема в сочетании с фазовым детектором прототипа.
5
6
7
Примерно такой же выигрыш был получен при проверках с большими массивами информации (10, 10, 10).
Все вышесказанное распространяется и на модемы, работающие в режимах BPSK (двукратная фазовая манипуляция) и КАФМ (квадратурная амплитудно-фазовая манипуляция, [1]), проверено компьютерным моделированием.
Структурные схемы модулятора и демодулятора модифицированного модема QPSK приведены на Фиг. 1 и 2, пунктирными линиями обозначены дополнительные устройства и соединения.
Цифрами на Фиг. 1 обозначены блоки модулятора:
1 - фазовращатель на 90°;
2, 3, 5 - перемножители;
4 - сумматор;
6 - формирователь меандра.
Цифрами на Фиг. 2 обозначены блоки демодулятора:
7 - перемножитель;
8 - формирователь меандра
9 - узкополосный фильтр
10, 11 - перемножители;
12 - фазовращатель на 90°;
13 - ГУН (генератор, управляемый напряжением);
14, 15 - интеграторы;
16 - решающее устройство.
Устройство работает следующим образом.
В модуляторе (Фиг. 1) происходит преобразование двух символов цифровой информации (из набора 11, 10, 00, 01), поступающих одновременно, в радиосигнал ПЧ с соответствующей начальной фазой (45°, 135°, 235°, 315°).
Для этого на первые ВЧ входы перемножтелей 2 и 3 модулятора поступают непрерывные колебания ПЧ, на вход косинусного канала - непосредственно, на вход синусного канала - через фазовращатель на 90° 1 (для исключения воздействия каналов друг на друга), на вторые входы перемножтелей поступают логические сигналы 1 и 0 информации, при этом, если поступает 1, фаза сигнала не меняется, если 0, то фаза сигнала меняется 180°.
С выходов перемножителей 2 и 3 сигналы поступают на входы сумматора 4. Поскольку амплитуды сигналов косинусного и синусного одинаковы, а фазы сдвинуты на 90° градусов, формируется суммарный сигнал с амплитудой, в 1,41 раза большей амплитуд суммируемых сигналов (сигналы суммируются векторно), и начальными фазами 45°, 135°, 235°, 315° (в зависимости от сочетания фаз поступивших сигналов, см. выше). С выхода сумматора сигнал поступает на ВЧ вход дополнительного перемножителя 5, на второй вход которого от формирователя меандра 6 поступает сигнал дополнительной манипуляции (меандр), период которого равен длительности сигнала, при этом на выходе дополнительного перемножителя 5 фаза колебаний первой половины сигнала не меняется, а фаза колебаний второй половины меняется на 180°, это начало первого этапа дополнительной обработки сигнала, такой сигнал поступает на выход модулятора.
В демодуляторе (Фиг. 2) принятый сигнал ПЧ и шум приемника поступают на ВЧ вход дополнительного перемножтеля 7, на второй вход которого поступает сигнал манипуляции (меандр) от формирователя меандра 8.
На выходе дополнительного перемножтеля 7 в результате перемножения с меандром происходит деманипуляция (восстановление) сигнала передатчика и манипуляция шума, в результате которой фаза колебаний первой половины шума не меняется, а фаза колебаний второй половины меняется на 180°.
При этом в наиболее опасных шумовых сигналах, близких по частоте и форме к рабочему сигналу (но противоположных по фазе), в результате этой манипуляции происходит смещение максимума спектральной плотности шума от Fпч=10 к частотам выше и ниже этой частоты, при этом спектральная плотность шума на частоте Fпч уменьшается почти до нуля (см. стр. 4), в результате чего последующая частотная селекция шума в узкополосном фильтре 9 становится более эффективной.
Этим кончается первый этап дополнительной обработки сигнала. Восстановленный сигнал передатчика и манипулированный шум приемника поступают на ВЧ вход узкополосного фильтра 9, в результате узкополосной фильтрации происходит ослабление сигнала и значительно большее ослабление манипулированного шума, в результате чего происходит первое увеличение отношения С/Ш; кроме того, при такой фильтрации шумовой сигнал становится более близким к рабочему сигналу по частоте и форме, а две его половинки с противоположными фазами имеют почти одинаковые или близкие амплитуды, что важно для дальнейшей обработки сигнала (см. далее). Сходству половинок шумового сигнала способствует также малое количество периодов колебаний шума на временном интервале сигнала (порядка 10), поскольку сигнал короткий (широкополосный); узкополосная фильтрация в фильтре 9 - это второй этап дополнительной обработки сигнала, уменьшающей шум. С выхода узкополосного фильтра 9 сигнал и оставшийся шум поступают на первые ВЧ входы перемножителей 10 и 11 демодулятора, на вторые ВЧ входы перемножителей 10 и 11 поступают непрерывные колебания опорной ПЧ от ГУН, в косинусном канале - непосредственно, в синусном канале - через фазовращатель на 90° 12; опорные колебания синхронны с колебаниями ПЧ сигнала по частоте и синфазны по точкам прохождения амплитуд принимаемого и опорного сигналов через ноль (синхронность и синфазность поддерживается системой ФАПЧ приемника).
На выходах перемножителей 10 и 11 формируются однополярные напряжения сигналов: положительные, если фаза колебаний сигнала совпадает с фазой колебаний опорной ПЧ, и отрицательные, если фазы колебаний противоположны,
при этом полярность напряжения сигнала остается постоянной на всем временном интервале сигнала, а полярность напряжения шумового сигнала на второй половине временного интервала сигнала в большинстве случаев противоположна полярности первой половины.
С выходов перемножителей 10 и 11 напряжения сигнала и шума косинусного и синусного каналов поступают на входы интеграторов 14 и 15 этих каналов;
в интеграторах на временном интервале сигнала происходит накопление энергии сигнала и ослабление шума, поскольку происходит суммирование напряжений двух половинок шума, близких по амплитуде, но с противоположными знаками;
результатом такого суммирования, а также фазовой селекции шума в фазовом детекторе демодулятора является радикальное ослабление шума - это третий, заключительный этап ослабления шума.
Полученный результат (выигрыш более 20 дБ) реализуется только при совместном использовании всех трех способов (этапов) уменьшения шума, исключение любого из этих способов делает выигрыш ничтожным (менее 3 дБ).
С выходов интеграторов 14 и 15 косинусного и синусного каналов на соответствующие входы решающего устройства 16 поступают положительные или отрицательные напряжения, при этом на выходах каждого канала в решающем устройстве формируются и выдаются логические сигналы, соответствующие 1 или 0. Выходы решающего устройства 16 подключены к выходам демодулятора.
Источники информации
1. RU 2477927 С1.
2. RU 2405273 С1.
3. RU 2390101 С1.
4. RU 2205518 С1.
5. RU 1322496 С1.
6. Системы радиосвязи. Под ред. Н.И. Калашникова. М.: Радио и связь, 1988, 151 с., 152 с., 162 с.
7. 2 Широкополосные системы. Р.К. Диксон. М.: Связь, 1979, 149 с.