СПОСОБ ДЕМОДУЛЯЦИИ СИГНАЛОВ С ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ФАЗОВОЙ ДЕМОДУЛЯЦИЕЙ
METHOD OF SIGNAL DEMODULATION WITH RELATIVE PHASE DEMODULATION

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к способам приема цифровых сигналов, передаваемых методом относительной фазовой модуляции (ОФМ), и может быть реализовано в системах передачи данных.
Известен способ демодуляции сигналов с ОФМ, описанный в [Спилкер Дж. Цифровая спутниковая связь. Пер. с англ. / Под ред. В.В.Маркова. - М.: Связь, 1979, с.300]. Известный способ-аналог заключается в том, что формируют два (синфазный и квадратурный) опорных гармонических сигнала с частотой, равной средней частоте демодулируемого сигнала. Вычисляют на длительности элемента сигнала корреляционные функции раздельно с синфазным и квадратурным опорными сигналами. В момент окончания элемента сигнала фиксируют отсчеты указанных корреляционных функций. Оценку фазы демодулируемого сигнала выполняют путем вычисления функции arctg для отношения этих отсчетов. Затем сравнивают полученную оценку фазы с соответствующей оценкой фазы, полученной на предшествующем элементе сигнала, после чего принимают решение по методу сравнения фаз о переданном информационном элементе.
Недостатком указанного способа-аналога является относительно низкая его помехозащищенность, поскольку в условиях помех оценка фазы на выходе демодулятора перестает быть линейно-зависимой от фазы демодулируемого сигнала.
п
п
п
п
п
п
п
п
п
п
син
квад
син
квад
Известен способ-аналог [патент РФ №2099892, 1997 г., МПК6 H04L 27/22], заключающийся в том, что для ослабления влияния помех, находящихся вне полосы частот демодулируемого сигнала, предварительно осуществляют его фильтрацию. Так как в сигнале ОФМ информационным параметром является изменение фазы несущей, то для повышения помехозащищенности после фильтрации сигналов ОФМ осуществляют их ограничение по амплитуде. В результате из гармонического сигнала S(t) формируют последовательность прямоугольных импульсов S(t), соответствующих знаку мгновенных значений сигнала S(t). Затем формируют пару опорных последовательностей прямоугольных импульсов S(t) и S(t), соответствующих знаку мгновенных значений синфазного и квадратурного гармонических сигналов с частотой, равной средней частоте демодулируемого сигнала. После этого вычисляют на длительности элемента сигнала две корреляционные функции Y и Х последовательности S(t) прямоугольных импульсов с опорными импульсными последовательностями S(t) и S(t), соответственно. В результате получают в момент окончания элемента сигнала отсчеты Y и Х указанных корреляционных функций и принимают решение о переданном информационном символе на основе сформированной оценки фазы сигнала. Затем определяют знаки отсчетов Y и Х, вычисляют абсолютные значения отсчетов и формируют оценку фазы сигнала путем сравнения с константой.
Недостатком данного способа-аналога является относительно низкая помехозащищенность из-за отсутствия возможности учета изменения фазы демодулируемого сигнала, произошедшие под воздействием помех, действующих в полосе частот принимаемого сигнала.
6
P
P
P
0
0
C
0
C
n
n
n
n-1
n
пор
n
пор
Наиболее близким к заявляемому является способ демодуляции сигналов с ОФМ по патенту РФ №2271071, 2006 год, МПК H04L 27/22. В ближайшем аналоге принимают сигнал S(t), фильтруют и выравнивают его, генерируют опорный сигнал S(t), вычисляют корреляционную функцию Y(t) между опорным сигналом S(t) и отфильтрованным сигналом с выровненной амплитудой S(t). Затем фильтруют результат произведения сигналов S(t) и S(t) в блоке уменьшения уровня помехи, обусловленной изменением полярности видеосигнала на выходе фильтра низких частот за время τ, т.е. времени, в течение которого на длительности элемента сигнала Т формируют корреляционную функцию Y(t). Затем интегрируют корреляционную функцию Y(t) последовательно на длительности Т и фиксируют ее значение Y по окончании элемента сигнала. Вычисляют абсолютное значение разности |Y| между текущим и предшествующим значением корреляционных функций Y и Y, соответственно на n-м и на (n-1)-м временных интервалах Т. Полученное значение модуля разности |Y| сравнивают с предварительно сформированным порогом Y по правилу: если выполняется неравенство |Y|-Y>0, то решение о демодулируемом элементе принимают равным «единица», а в случае невыполнения неравенства принимают равным «нуль».
пор
Недостатком способа-прототипа является относительно низкая помехозащищенность, обусловленная тем, что решение о демодулируемом символе принимают путем сравнения с предварительно сформированным в отсутствии помех неизменным порогом Y, который не учитывает изменения фазы демодулируемого сигнала в результате воздействия помехи.
Целью заявленного технического решения является разработка способа демодуляции сигналов с ОФМ, обеспечивающего повышение помехозащищенности за счет адаптивного изменения значения порога принятия решения о принятом информационном элементе в зависимости от вероятности появления значений «единица» и «нуль» в выходной последовательности демодулятора в условиях изменения в широких пределах уровня демодулируемого сигнала.
0
0
C
C
0
n
n
n
n-1
n
пор
n
пор
n
n-1
n
пор
пор
n
n-1
0
P
P
P
P
P
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе демодуляции сигналов с ОФМ принимают сигнал S(t), фильтруют и выравнивают его амплитуду, генерируют опорный сигнал S(t), вычисляют корреляционную функцию Y(t) между опорным сигналом S(t) и отфильтрованным сигналом с выровненной амплитудой S(t) путем их перемножения Y(t)=S(t)S(t) интегрируют корреляционную функцию Y(t) последовательно на временных интервалах длительностью Т и фиксируют ее значение Y по окончании n-го интервала времени T, где n=1, 2, …, вычисляют модуль разницы |Y| значений корреляционных функций Y и Y, соответственно на n-м и на (n-1)-м временных интервалах Т, полученное значение модуля разницы |Y| сравнивают с предварительно заданным пороговым значением Y корреляционной функции и при выполнении условия |Y|>Y присваивают принятому информационному элементу значение «единица», в противном случае - «нуль». Перед вычислением модуля разности |Y| ограничивают амплитуду значения корреляционной функции Y, а полученное значение модуля разницы |Y| сравнивают с скорректированным пороговым значением , которое вычисляют путем алгебраического сложения предварительно заданного порогового значения корреляционной функции Y и заданного отклонения , причем значение отклонения  выбирают со знаком плюс, если информационному элементу на выходе демодулятора присвоено значение «единица», и со знаком «минус», если информационному элементу на выходе демодулятора присвоено значение «нуль». Пороговое значение корреляционной функции Y выбирают равным половинному значению суммы модуля значения элемента корреляционной функции Y и ограниченному по амплитуде модулю значения Y. Амплитуду сигнала S(t) выравнивают до уровня, равного амплитуде сигнала S(t), и сохраняют это значение на всем интервале времени существования сигнала S(t).
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе обеспечивается возможность адаптивного изменения значений порога принятия решения о принятом информационном элементе в зависимости от частости появления значений «единица» и «нуль» в выходной последовательности демодулятора, что указывает на повышение помехозащищенности способа демодуляции сигналов с ОФМ.
Заявленное изобретение поясняется чертежами, на которых
фиг.1 поясняет принцип демодуляции сигналов с ОФМ без помех, вносимых каналом;
фиг.2 поясняет принцип демодуляции сигналов с ОФМ в условиях помех, приводящих к преобладанию значений «единица» в демодулированной последовательности;
фиг.3 поясняет принцип демодуляции сигналов с ОФМ в условиях помех, приводящих к преобладанию значений «нуль» в демодулированной последовательности.
Реализация заявленного способа заключается в следующем.
пор
0
С
Существующая проблема заключается в том, что использование предварительно установленного порогового значения Y корреляционной функции между опорным сигналом S(t) и отфильтрованным сигналом с выровненной амплитудой S(t) не позволяет учитывать результат воздействия помехи на канал приема, приводящей к увеличению частости появления или только значений «единица», или только значений «нуль».
пор
Поэтому предлагается корректировать значение предварительно заданного порога Y в зависимости от частости появления значений «единица» и «нуль» на выходе демодулятора и тем самым компенсировать результат негативного воздействия помех, что и обеспечивается в заявляемом способе.
Последовательность действий над сигналом реализуется следующим образом.
Сигнал с ОФМ принимают в виде аналогового сигнала S(t) по тракту приема. Процедуры приема аналоговых сигналов известны и описаны, например, в [Дж.Возенкрафт, И.Джекобс. Теоретические основы техники связи. Пер. с англ. - М.: Издат «Мир», 1969. С.216-226].
0
Затем принятый аналоговый сигнал S(t) фильтруют и выравнивают его амплитуду. После этого генерируют опорный сигнал S(t). Операции фильтрации, выравнивания амплитуды аналоговых сигналов и генерации опорного сигнала известны и описаны в [Б.Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. с.135-138]. Причем операцию выравнивания амплитуды по п.3 формулы заявляемого способа можно реализовать на основе применения усилителя-ограничителя.
C
C
C
0
Вычисляют корреляционную функцию Y(t) между сигналами S(t) и S(t) путем их перемножения Y(t)=S(t)S(t). Операция вычисления корреляционной функции известна и описана в [Сато Ю. Обработка сигналов. Первое знакомство. / Пер. с яп.,/ Под ред. Есифуми Амэмия. - М.: Издательский дом «Додека-XXI», 2002. - 176 с., с.66].
n
Интегрируют корреляционную функцию Y(t) последовательно на временных интервалах длительностью Т и фиксируют ее значение Y окончании n-го интервала времени Т, где п=1, 2, …. Указанные операции известны и описаны, например, в [Б.Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. с.135-138].
P
P
P
n
n
n-1
n
n-1
n-1
n
Затем вычисляют модуль разницы |Y| значений корреляционных функций Y и Y, соответственно на n-м и на (n-1)-м временных интервалах Т. Причем перед вычислением модуля разности |Y| ограничивают амплитуду значения корреляционной функции Y. Ограничение амплитуды корреляционной функции Y можно реализовать, например, за счет использования усилителя-ограничителя. Операции вычисления модуля разности |Y| также известны и описаны, например, в [Б.Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. с.223-224].
P
n
пор
После этого полученное значение модуля разницы |Y| сравнивают с скорректированным пороговым значением , которое вычисляют путем алгебраического сложения предварительно заданного порогового значения корреляционной функции Y и заданного отклонения , причем значение отклонения  выбирают со знаком плюс, если информационному элементу на выходе демодулятора присвоено значение «единица», а если информационному элементу на выходе демодулятора присвоено значение «нуль», то отклонение , выбирают со знаком «минус». Операции сложения и принятия решения известны и описаны, например, в [Б.Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. с.206-210]. Задать пороговое значение можно, например, путем установления напряжения соответствующего номинала на потенциометре, а также изменять его в зависимости от значения информационного элемента «единица» и «нуль» на выходе демодулятора.
пор
n
n-1
Выбор порогового значения Y, равного половине значения суммы модуля элемента корреляционной функции Y и ограниченному по амплитуде модулю значения Y, можно реализовать путем выполнения операций, которые описаны, например, в [Б.Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. с.206-210].
P
n
пор
При выполнении условия |Y|>Y присваивают принятому информационному элементу значение «единица», в противном случае - «нуль». Указанные операции известны и описаны, например, в способе-прототипе [патент РФ №2271071, 2006 год, МПК H04L 27/22].
В основу сущности способа демодуляции сигналов с ОФМ положен принцип увеличения помехоустойчивости за счет изменения порога принятия решения о принятом символе в выходной последовательности демодулятора. Двоичный сигнал на выходе отдельных ступеней формирования групповых потоков может иметь произвольную статистическую структуру следования значений «единица» и «нуль», что не удовлетворяет требованиям к постоянству спектральной плотности мощности передаваемого сигнала. Поэтому в передающей части канала связи после операции кодирования осуществляют операцию скремблирования, обеспечивающую равномерное распределение информационных элементов «единица» и «нуль» в выходной последовательности [Григорьев В.А. Сигналы современных зарубежных систем электросвязи: Учебник. - СПб.: ВАС, 2007. с.126-127].
Следовательно, если появление значений «единица» и «нуль» в выходной последовательности модулятора перестает быть равномерным, то это говорит о воздействии помех на передаваемые сигналы в канале связи. А аддитивное изменение порога принятия решения о принятом символе при демодуляции сигнала позволяет исправлять эти ошибки.
На» фиг.1 представлена иллюстрация принципа демодуляции сигнала с ОФМ при отсутствии помехи в канале связи.
P
n
пор
Решение о принятом символе осуществляют на основе сравнения модуля разницы значения корреляционной функции |Y| с предварительно заданным пороговым значением этой корреляционной функции Y (для способа-прототипа) или рассчитанным значением  по окончании предыдущего такта Т (для заявляемых способов-вариантов).
0
C
п
n-1
n
n
n
n-1
пор
пор
P
На фиг.1а показана автокорреляционная функция Y(t) опорного сигнала S(t) и отфильтрованного сигнала с выровненной амплитудой S(t). На фиг.1б показана функция Y, представляющая результат интегрирования автокорреляционной функции Y(t) на каждом из временных интервалов Т. На фиг.1в изображена функция Y, представляющая сдвинутую на один тактовый интервал функцию Y, с уменьшенным значением амплитуды. На фиг.1г показана функция |Y|, представляющая значение модуля разницы между функциями Y и Y на каждом временном интервале. Здесь же нанесено предварительно заданное пороговое значение Y (для способа-прототипа) и рассчитываемое на каждом шаге значение  путем сложения или вычитания исходного значения Yи отклонения порогового значения корреляционной функции . На фиг.1д показан результирующий демодулированный сигнал.
n
n-1
n
P
6
Процессы формирования функций Y(t), Y, Y и |Y| известны и описаны в патенте РФ №2271071,2006 год, МПК H04L 27/22.
n
n-1
n
n
4
5
n
n
n+1
пор
4
5
5
P
P
P
На фиг.2 представлена иллюстрация принципа демодуляции сигнала с ОФМ в условиях помех в канале связи, приводящих к ошибкам, увеличивающих частость следования значений «единица». Ошибки в корреляционной функции Y(t) показаны пунктирной линией (см. фиг 2a). А ошибки функций Y, Y и |Y| показаны серым цветом (см. фиг.2б, 2в, 2г). В ситуации, представленной на фиг.2, возникшие в канале связи помехи привели к ошибкам функции |Y| на интервалах Т и Т. (В демодуляторе сигналов с ОФМ ошибка на входе ведет к удвоению ошибок на выходе, поскольку неправильно принятый сигнал используется для определения текущего значения функции |Y| на интервале Т и T [Б.Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. с.222]). В результате при неизменном пороговом значении корреляционной функции Y на выходе демодулятора ошибки возникли на интервале Т и T. В то же время использование порогового значения  позволило вдвое сократить число ошибок на выходе демодулятора. Ошибка только на интервале T (см. фиг.2д).
n
n-1
n
n
10
11
пор
10
11
11
P
P
На фиг.3 представлена иллюстрация принципа демодуляции сигнала с ОФМ в условиях помех в канале связи, приводящих к ошибкам, увеличивающих частость следования логических значений «нуль». Ошибки в корреляционной функции Y(t) показаны пунктирной линией (см.3а). А ошибки функций Y, Y и |Y| показаны серым цветом (см. фиг.3б, 3в, 3г). В ситуации, представленной на фиг.3, возникшие в канале связи помехи привели к ошибкам функции |Y| на интервалах Т и Т. В результате при неизменном пороговом значении корреляционной функции Y на выходе демодулятора ошибки возникли на интервале Ти Т. В то же время использование порогового значения  позволило вдвое сократить число ошибок на выходе демодулятора. Ошибка только на интервале T (см. фиг.3д).
Таким образом, в заявленном техническом решении достигается сформулированный технический результат - повышение помехозащищенности при демодуляции сигналов с ОФМ.