СПОСОБ ДЕМОДУЛЯЦИИ СИГНАЛОВ С МИНИМАЛЬНОЙ ЧАСТОТНОЙ МАНИПУЛЯЦИЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DEMODULATING MINIMUM FREQUENCY-SHIFT KEYING SIGNALS AND APPARATUS FOR REALSING SAID METHOD

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах цифровой связи, радионавигации, радиотелеметрии и других радиотехнических системах, в которых применяется сигналы с минимальной частотной манипуляцией с непрерывной фазой.
Заявляемое изобретение относится к приоритетному направлению развития науки и технологий «Технологии обработки, хранения, передачи и защиты информации» [Алфавитно-предметный указатель к Международной патентной классификации по приоритетным направлениям развития науки и технологий / Ю.Г.Смирнов, Е.В.Скиданова, С.А.Краснов. - М.: ПАТЕНТ, 2008. - с.49].
Одной из особенностей передачи двоичной информации методом минимальной частотной манипуляции является отсутствие разрывов фазы на границах смены посылок с отличающейся частотой заполнения, отображающих двоичные символы передаваемой информации. Непрерывность фазы является одним из положительных свойств этих сигналов, благодаря которому сигналы с минимальной частотной манипуляцией более эффективно используют частотное пространство. Но отсутствие явных границ и минимальный частотный разнос между двоичными посылками затрудняют решение задачи демодуляции сигналов с минимальной частотной манипуляцией.
Широкое распространение для детектирования сигналов с частотной модуляцией получили некогерентные детекторы, результат работы которых не зависит от фазы несущей частоты принимаемого сигнала. В некогерентных детекторах используются способы детектирования, в которых частотная модуляция преобразуется в другие виды модуляции (амплитудную, фазовую или в последовательность импульсов) с последующим применением амплитудного, фазового или импульсного детектора [Радиоприемные устройства: учебник для вузов / Н.Н.Фомин, Н.Н.Буга, О.В.Головин и др.; Под редакцией Н.Н.Фомина. - 3-е издание, стереотип. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007. - с.205-222].
Основным достоинством этих способов является простота устройств, а главными недостатками являются низкая помехоустойчивость и низкая чувствительность устройств детектирования - они практически непригодны для демодуляции сигналов, передаваемых посредством частотной манипуляции с минимальным сдвигом.
c
Существуют способы детектирования сигналов с частотной манипуляцией, основанные на переносе спектра сигнала с высокой частоты в область видеочастот с помощью квадратурной обработки принятого сигнала, например, способ в [Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение / Бернард Скляр. - 2-е изд., испр., пер. с англ. - М.: Вильяме, 2003. - с.225, 235]. Квадратурная обработка предусматривает двухканальную обработку, при которой входной сигнал u(t) умножается на синфазную составляющую опорного колебания в одном канале и квадратурную составляющую в другом.
При совпадении несущей частоты принимаемого сигнала с частотой опорного колебания на входах перемножителя и пропускании полученных в каждом канале произведений сигнала и опорного колебания через фильтры нижних частот получают низкочастотные квадратурные составляющие - синфазную I(t) и квадратурную Q(t) компоненты принимаемого сигнала в виде положительных или отрицательных уровней постоянного тока, в которых содержится вся информация об амплитуде и фазе принимаемого сигнала. Устройство, действующее по изложенному выше способу, называется квадратурным демодулятором (квадратурным преобразователем).
В случае несовпадения несущей частоты сигнала и частоты опорного колебания на выходах фильтров нижних частот получаются смещенные квадратурные составляющие: отрезки низкочастотных колебаний с частотой, равной разности частот опорного колебания и принимаемого сигнала.
В квадратурных компонентах, полученных в результате работы квадратурного демодулятора, содержится полная информация о комплексной огибающей сигнала (т.е. об амплитуде и фазе), поэтому квадратурный демодулятор является универсальным устройством. Однако для выделения информационного сигнала требуется дополнительная обработка этих компонент, которая зависит от вида модуляции.
Известен способ квадратурного приема частотно-манипулированных сигналов с минимальным сдвигом [патент на изобретение RU №2192101, МПК H04L 27/14, авторы Карлов A.M., Волхонская Е.В., Авдеев Е.Н., опубликовано 27.10.2002], сущность которого заключается в переносе спектра входного сигнала из области высоких частот в область видеочастот путем получения смещенных квадратурных компонент при обработке сигнала в квадратурном демодуляторе с использованием в качестве опорных сигналов квадратурных составляющих центральной частоты, дифференцирования выделенных фильтрами нижних частот смещенных квадратурных составляющих сигнала с целью преобразования частотной манипуляции в амплитудную, с применением ряда операций над квадратурными составляющими сигнала (сложения, вычитания, умножения) для получения суммы информационного сигнала и колебания полутактовой частоты (частоты девиации), выделении информационного сигнала путем вычитания из полученной суммы специально сформированного противофазного колебания полутактовой частоты.
Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа демодуляции сигналов с минимальной частотной манипуляцией, являются: квадратурная демодуляция, применение операций сложения и дифференцирования.
Однако данный способ обладает рядом недостатков, среди которых отметим сложность алгоритма обработки сигнала, необходимость слежения за коэффициентом усиления и задержкой в узле формирования противофазного сигнала полутактовой частоты, что приводит к снижению помехоустойчивости.
Известно устройство квадратурного приема частотно-манипулированных сигналов [патент на изобретение RU №2425457, МПК H04L 27/14, авторы Карлов A.M., Волхонская Е.В., Иванов Е.В., опубликовано 27.07.2011], реализующее способ по патенту RU №2192101.
Конструктивными признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства демодуляции сигналов с минимальной частотной манипуляцией, являются квадратурный демодулятор и дифференцирующее устройство.
Недостатком известного устройства по патенту RU №2425457 является то, что данное устройство имеет сложное схемотехническое решение, а также обладает недостаточно высокой помехоустойчивостью.
За прототип заявляемого способа принят способ, использованный в реализации устройства для демодуляции частотно-манипулированных сигналов с непрерывной фазой [патент на изобретение RU №2308165, МПК H04L 27/233, H04L 27/14, авторы Стешенко В.Б., Бумагин А.В., Петров А.В., опубликовано 10.10.2007], в котором осуществляется способ переноса спектра сигнала из области высоких частот в область видеочастот путем квадратурной обработки сигнала. Для этого в этом устройстве, принятом в качестве прототипа заявляемого устройства и реализующем способ прототипа, используется квадратурный демодулятор и блок, названный фазовым детектором и выполняющим вычисление арктангенса отношения квадратурной составляющей к синфазной, устройство дифференцирования и устройство усреднения производной фазы с дальнейшим использованием декодера Витерби для получения демодулированного сигнала.
Признаками способа прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются: квадратурная обработка сигнала для переноса спектра сигнала из области высоких частот в область видеочастот, вычисление временной зависимости изменения фазы, дифференцирование и усреднение.
Конструктивными признаками устройства прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства демодуляции сигналов с минимальной частотной манипуляцией, являются квадратурный демодулятор, блок вычисления арктангенса и дифференциатор.
Среди недостатков прототипа необходимо отметить сложность реализации декодера Витерби и необходимость дополнительной обработки сигнала с целью выделения тактовой частоты, необходимой для работы декодера Витерби. Кроме того, применение одного квадратурного демодулятора для обработки принимаемого сигнала недостаточно для раскрытия свойств межсимвольных связей, присущих частотно-манипулированным сигналам с непрерывной фазой, в результате чего не может быть достигнута высокая помехоустойчивость и достоверность приема сигналов с минимальным сдвигом частоты.
Технический результат изобретения заключается в повышении помехоустойчивости и достоверности приема сигналов с минимальным сдвигом частоты за счет использования свойств межсимвольных связей.
Технический результат достигается тем, что в способе демодуляции сигналов с минимальной частотной манипуляцией, включающем квадратурную обработку сигнала для переноса спектра сигнала из области высоких частот в область видеочастот, вычисление временной зависимости изменения фазы, дифференцирование и усреднение, перенос спектра сигнала из области высоких частот в область видеочастот осуществляют в двух параллельно работающих квадратурных демодуляторах, по выходным сигналам которых вычисляют временные зависимости изменения фазы.
При этом в одном из квадратурных демодуляторов в качестве опорных частот используются квадратурные компоненты несущей частоты единичных бит передаваемой информации, а в другом - нулевых бит. Перед дифференцированием осуществляют суммирование полученных временных зависимостей фазы, после чего полученный суммарный сигнал дифференцируют, а перед усреднением продифференцированный сигнал подвергают двустороннему ограничению и усилению.
Технический результат изобретения достигается также тем, что устройство демодуляции сигнала с минимальной частотной манипуляцией, содержащее последовательно соединенные квадратурный демодулятор, блок вычисления арктангенса, дифференциатор и схему усреднения, дополнительно содержит второй квадратурный демодулятор, второй блок вычисления арктангенса, сумматор, двухсторонний ограничитель и усилитель, причем дополнительно установленные второй квадратурный демодулятор, второй блок вычисления арктангенса и сумматор включены таким образом, что сигнальный вход второго квадратурного демодулятора соединен с сигнальным входом первого квадратурного демодулятора и входом устройства.
При этом вход для подключения опорного колебания первого квадратурного демодулятора соединен с выходом высокостабильного генератора несущей частоты единичных бит информации, вход для подключения опорного колебания второго квадратурного демодулятора соединен с выходом высокостабильного генератора несущей частоты нулевых бит передаваемой информации.
Выходы второго квадратурного демодулятора соединены с входами второго блока вычисления арктангенса, выход первого блока вычисления арктангенса соединен с первым входом сумматора, выход второго блока вычисления арктангенса соединен со вторым входом сумматора, выход сумматора соединен с входом дифференциатора, выход дифференциатора соединен с входом двухстороннего ограничителя, выход которого соединен с входом усилителя, а выход усилителя соединен с входом схемы усреднения, выход которой является выходом устройства.
Отличительными признаками, доказывающими новизну заявляемого способа демодуляции сигналов с минимальной частотной манипуляцией, является то, что перенос спектра сигнала из области высокой частоты в область видеочастот осуществляют в двух параллельно работающих квадратурных демодуляторах, по выходным сигналам которых производят вычисление временных зависимостей фазы, при этом в одном из квадратурных демодуляторов в качестве опорных частот используют квадратурные компоненты несущей частоты единичных бит передаваемой информации, а в другом - нулевых бит, после чего осуществляют суммирование временных зависимостей фазы, полученный суммарный сигнал дифференцируют, подвергают двухстороннему ограничению, усилению и усреднению.
Анализ патентной и научно-технической информации с целью установления уровня техники позволил выявить источники, содержащие сведения об известности некоторых отличительных признаков формулы, в частности, применение двух, работающих параллельно, квадратурных демодуляторов.
Действительно, в [Прокис Джон. Цифровая связь. Пер. с англ. / под редакцией Д.Д.Кловского. - М.: Радио и связь 2000. - с.260] приводится схема демодуляции и квадратичного детектирования двоичных сигналов с частотной манипуляцией, в которой используются два параллельно работающих квадратурных демодулятора. Кроме того, в описании к изобретению, взятому нами в качестве аналога [патент RU №2192101, Кл. H04L 27/14, авторы Карлов A.M., Волхонская Е.В., Авдеев Е.Н., опубл. 27.10.2002], рассматривается и приводится на фиг.4 схема устройства для оптимального приема частотно-манипулированных сигналов, также содержащая два квадратурных демодулятора.
Но использование двух квадратурных демодуляторов в указанных выше устройствах принципиально отличается от использования двух квадратурных демодуляторов в предлагаемом нами способе и устройстве. В указанных устройствах демодуляция сигнала осуществляется по его амплитудным (энергетическим) характеристикам, по огибающей или квадрату огибающей, при этом фаза сигнала никаким образом не учитывается.
В предлагаемом нами способе и устройстве два квадратурных демодулятора используется таким образом, что демодуляция сигнала осуществляется по его фазовым характеристикам (временным фазовым зависимостям), а не амплитудным, как это делается в указанных выше устройствах. При учете фазовых соотношений появляется возможность демодуляции сигналов с минимальным разносом частот, при котором еще обеспечивается ортогональность частотно-манипулированных сигналов. Необходимо отметить, что упомянутые выше устройства не способны работать с сигналами, разнос которых меньше величины обратной длительности импульса, отображающего бит информации, и по этой причине непригодны для демодуляции сигналов с минимальной частотной манипуляцией.
Таким образом, из уровня техники не известно влияние признаков, сходных с отличительными признаками заявляемых способа и устройства, на достижение заявляемого технического результата, а именно: повышение помехоустойчивости и достоверности приема за счет использования свойств межсимвольных связей в сигнале.
Получение нового технического результата при использовании новой совокупности отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого изобретения критерию «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется чертежами, где:
На фиг.1 представлена структурная схема устройства, работающего в соответствии с предлагаемым способом.
На фиг.2 представлен отрезок информационной последовательности бит, подлежащий передаче методом минимальной частотной манипуляции с индексом модуляции m=0,5.
На фиг.3 представлены квадратурная и синфазная составляющие на выходе квадратурного демодулятора 1 при воздействии на входе устройства сигнала, манипулированного методом минимальной частотной манипуляции с индексом модуляции m=0,5 последовательностью, приведенной на фиг.2.
На фиг.4 представлены квадратурная и синфазная составляющие на выходе квадратурного демодулятора 2 при воздействии на входе устройства сигнала, манипулированного методом минимальной частотной манипуляции с индексом модуляции m=0,5 последовательностью, приведенной на фиг.2.
На фиг.5 показана временная зависимость фазы на выходе блока вычисления арктангенса 3, полученная по выходным сигналам квадратурного демодулятора 1 при воздействии на входе устройства сигнала, манипулированного методом минимальной частотной манипуляции с индексом модуляции m=0,5 последовательностью, приведенной на фиг.2.
На фиг.6 показана временная зависимость фазы на выходе блока вычисления арктангенса 4, полученная по выходным сигналам квадратурного демодулятора 2 при воздействии на входе устройства сигнала, манипулированного методом минимальной частотной манипуляции с индексом модуляции m=0,5 последовательностью, приведенной на фиг.2.
На фиг.7 показана сумма временных зависимостей фазы на выходе сумматора 5  при воздействии на входе устройства сигнала, манипулированного методом минимальной частотной манипуляции с индексом модуляции m=0,5 последовательностью, приведенной на фиг.2.
На фиг.8 показан сигнал на выходе дифференциатора 6 при воздействии на входе устройства сигнала, манипулированного методом минимальной частотной манипуляции с индексом модуляции m=0,5 последовательностью, приведенной на фиг.2.
На фиг.9 показан сигнал на выходе устройства после двухстороннего ограничения, усиления и усреднения сигнала, показанного на фиг.8.
В заявляемом способе демодуляции сигналов с минимальной частотной манипуляцией осуществляют следующие операции:
1. Перенос спектра сигнала из области высоких частот в область видеочастот параллельно в двух каналах (одновременно в двух квадратурных демодуляторах): канале детектирования единичных и канале детектирования нулевых бит информации, каждый из которых в свою очередь состоит из синфазного и квадратурного каналов, отличающихся тем, что в канале детектирования единичных бит информации в качестве опорной частоты используют частоту передачи единичных бит информации, а в канале детектирования нулевых бит информации в качестве опорной частоты используют частоту передачи нулевых бит информации.
2. По выходным сигналам (квадратурным компонентам) канала детектирования единичных бит информации и канала детектирования нулевых бит информации вычисляют соответствующие временные зависимости изменения фазы (фазовые характеристики) путем вычисления арктангенса отношения квадратурной компоненты к синфазной.
3. Полученные фазовые характеристики суммируют.
4. Результат суммирования дифференцируют.
5. Продифференцированный сигнал подвергают двухстороннему ограничению.
6. Сигнал, полученный после двухстороннего ограничения, усиливают.
7. Усиленный сигнал усредняют (сглаживают).
Устройство демодуляции сигналов с минимальной частотной манипуляцией, показанное на фиг.1, содержит два квадратурных демодулятора 1 и 2, два блока вычисления арктангенса 3 и 4, сумматор 5, дифференциатор 6, двухсторонний ограничитель 7, усилитель 8 и схему усреднения 9.
Причем дополнительно установленные второй квадратурный демодулятор 2, второй блок вычисления арктангенса 4 и сумматор 5 включены таким образом, что сигнальный вход второго квадратурного демодулятора 2 соединен с сигнальным входом первого квадратурного демодулятора 1, и это соединение является сигнальным входом заявляемого устройства. Вход для подключения опорного колебания первого квадратурного демодулятора 1 соединен с выходом высокостабильного генератора (на схеме не показан) несущей частоты единичных бит (несущая «1»), вход для подключения опорного колебания второго квадратурного демодулятора 2 соединен с выходом высокостабильного генератора несущей (на схеме не показан) частоты нулевых бит передаваемой информации (несущая «0»). Выходы второго квадратурного демодулятора 2 соединены с входами второго блока вычисления арктангенса 4, выходы блоков вычисления арктангенса 3 и 4 соединены с входами сумматора 5, выход сумматора 5 соединен с входом дифференциатора 6, выход дифференциатора 6 соединен с входом двухстороннего ограничителя 7, выход которого соединен с входом усилителя 8, а выход усилителя 8 соединен с входом схемы усреднения 9, выход которой является выходом заявляемого устройства.
Новизна заявляемого устройства доказывается дополнительно введенными квадратурным демодулятором 2, блоком вычисления арктангенса 4, сумматором 5, двухсторонним ограничителем 7 и усилителем 8, а также новыми взаимосвязями между элементами устройства.
Применение двух квадратурных демодуляторов 1 и 2 дает возможность получать представление единичных и нулевых бит детектируемого колебания в двух видах: на нулевой частоте и на частоте, равной разности несущих частот единичных и нулевых бит информации. В каждом из представлений заложена дополнительная информация о детектируемом бите, при этом четко проявляется свойство непрерывности фазы на межсимвольных переходах.
Уровни постоянного напряжения, которыми отображаются квадратурные составляющие единичных и нулевых бит на выходах одноименных квадратурных демодуляторов 1 и 2, несут информацию о сдвиге фазы демодулированного бита относительно фазы опорного колебания и являются начальными фазами смещенных квадратурных составляющих противоположных бит, отображаемых отрезками гармонических колебаний постоянной амплитуды и частоты (фиг.3, фиг.4).
Так как в предлагаемом способе в качестве опорной частоты в каждом квадратурном демодуляторе 1 и 2 используется несущая частота одного из бит передаваемой информации, то противоположный бит на каждом демодуляторе 1 и 2 отображается гармоническим колебанием с частотой, равной удвоенной девиации частоты (фиг.3, фиг.4), а не гармоническим колебанием с частотой, равной девиации частоты, как в прототипе. Удвоение частоты приводит к удвоению скорости изменения фазы, т.е. фаза изменяется не на 90° за время длительности элементарного импульса, отображающего бит информации, как в прототипе, а на 180°.
Фаза следующего бита информации, отделенного от предыдущего n-ным количеством нулевых бит, будет зависеть от четности n. Если n нечетно, то фаза меняется на 180°, а если n четное число - фаза не изменяется. Так обеспечивается непрерывность фазы на межсимвольных переходах. Представление сигнала на нулевой частоте служит как бы элементом памяти при передаче значений фазы квадратурным компонентам от предыдущих к последующим битам (фиг.3 и фиг.4).
Направление изменения фазы определяется знаком крутизны линии, описывающей характер изменения фазы (тангенсом угла наклона линии к оси абсцисс), который зависит от знака разности частоты несущей принимаемого бита информации и частоты опорного колебания. Поскольку частота передачи единичного бита информации больше частоты передачи нулевого бита, то на выходе квадратурного демодулятора 1, детектирующего единичные биты, нулевые биты характеризуются отрицательной крутизной (фиг.5), а на выходе квадратурного демодулятора 2, детектирующего нулевые биты, единичные биты характеризуются положительной крутизной (фиг.6).
Из временных зависимостей синфазной и квадратурной компонент на выходах каждого квадратурного демодулятора 1 и 2 (фиг.3 и фиг.4) путем вычисления арктангенса отношения квадратурной компоненты к синфазной получают временные зависимости фаз (фиг.5 и фиг.6). Временные зависимости фаз суммируют (фиг.7).
На временной зависимости фазы, полученной на выходе сумматора (фиг.7), четко прослеживаются точки смены знака крутизны изменения фазы, соответствующие моментам межсимвольных переходов.
Поскольку частота колебания есть скорость изменения фазы, то проводят дифференцирование суммарной временной зависимости фазы, после чего получается зависимость частоты от времени (фиг.8), соответствующая передаваемой битовой последовательности (фиг.2).
Полученное в результате применения предлагаемого способа двукратное увеличение частоты, которой отображаются противоположные биты на выходах квадратурных демодуляторов 1 и 2, приводит к двукратному увеличению модуля крутизны, а следовательно, и амплитуды положительных и отрицательных импульсов после дифференцирования, отображающих биты информации на выходе демодулятора, что повышает помехоустойчивость (фиг.8).
Мешающие выбросы производной, возникающие после дифференцирования пилообразных импульсов, отображающих характер изменения функции арктангенс отношения квадратурной компоненты к синфазной, в моменты обращения в нуль синфазной составляющей удаляют путем двухстороннего ограничения и статистического усреднения (фиг.9). Мешающие выбросы появляются дважды за период удвоенной частоты девиации, что облегчает процедуру усреднения.
При этом достигается поставленная цель: уменьшено количество операций, проводимых при обработке сигнала, а за счет использования свойств межсимвольных связей получен демодулятор частотно-манипулированных сигналов с минимальной манипуляцией, не уступающий по помехоустойчивости детекторам сигналов двоичной фазовой манипуляции и в отличие от последних лишенный недостатка «негативной» работы. Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «новизна».
Устройство работает следующим образом. Входной сигнал, представляющий собой высокочастотное колебание, манипулированное по частоте по закону минимальной частотной модуляции с индексом модуляции m=0,5 последовательностью, показанной на фиг.2, одновременно поступает на входы квадратурных демодуляторов 1 и 2. Квадратурный демодулятор 1 является квадратурным демодулятором единичных бит информации, а квадратурный демодулятор 2 - квадратурным демодулятором нулевых бит. На выходах квадратурных демодуляторов 1 и 2 получаются квадратурные компоненты единичных и нулевых бит информации.
1
1
На фиг.3 показаны осциллограммы, отображающие синфазную составляющую I (сплошная линия 10) и квадратурную составляющую Q (пунктирная линия 11) демодулированного сигнала на выходе квадратурного демодулятора 1. Здесь квадратурные компоненты нулевых и единичных бит детектируемого колебания представлены в двух видах: нулевые биты на частоте, равной разности несущих частот единичных и нулевых бит информации (момент времени 13), а единичные биты - на нулевой частоте (момент времени 14).
Кроме того, здесь показаны моменты межсимвольных переходов 12, по которым видно, как происходит «запоминание» фазы в период приема серии единичных бит и передачи запомненного значения нулевым битам.
2
2
Фиг.4 отображает осциллограммы синфазной I (сплошная линия 15) и квадратурной составляющей Q (пунктирная линия 16) демодулированного сигнала на выходах квадратурного демодулятора 2. Здесь нулевые и единичные биты детектируемого колебания также представлены в двух видах, но на частоте, равной разности несущих частот единичных и нулевых бит информации, здесь представлены единичные биты (момент времени 17), а на нулевой частоте - нулевые биты (момент времени 18). На фиг.4 также прослеживаются принцип непрерывности фазы, запоминание и передача значения фазы очередному противоположному биту.
Квадратурные составляющие, полученные в квадратурном демодуляторе 1, поступают на вход блока вычисления арктангенса 3, который реализует операцию вычисления арктангенса отношения квадратурной компоненты к синфазной. В результате получаем
<mrow><msub><mi>p</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mfrac><mrow><msub><mi>Q</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow>
,
1
где p(t) - временная зависимость фазы на выходе блока вычисления арктангенса 3 (фиг.5).
В момент приема единичного бита в момент времени 19 имеем
1
p(t)=θ(t),
где θ(t) - разность начальных фаз опорного колебания и несущей частоты бита информации, характеризующаяся воздействием канала связи на распространяющийся сигнал.
Из фиг.5 видно, что в момент времени 19 величина θ(t) равна заданному сдвигу фаз в 30°. В момент приема нулевого бита 20 фаза на фиг.5 равна
<mrow><msub><mi>p</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mfrac><mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>π</mi><mi>t</mi></mrow><mrow><msub><mi>Т</mi><mi>Э</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mrow><mi>cos</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>π</mi><mi>t</mi></mrow><mrow><msub><mi>Т</mi><mi>Э</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><mi>t</mi></mrow><mrow><msub><mi>Т</mi><mi>Э</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
Э
где πt/Т - круговая частота, равная удвоенной девиации частоты;
Э
Т - длительность элементарного импульса, отображающего бит информации;
<mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>π</mi><mi>t</mi></mrow><mrow><msub><mi>Т</mi><mi>Э</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
- смещенная квадратурная составляющая нулевого бита;
<mrow><mi>cos</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>π</mi><mi>t</mi></mrow><mrow><msub><mi>Т</mi><mi>Э</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
-
смещенная синфазная компонента нулевого бита.
Аналогичным образом работает блок вычисления арктангенса 4, на входы которого поступают компоненты с выходов квадратурного демодулятора 2. На выходе блока вычисления арктангенса 4 имеем (фиг.6):
<mrow><msub><mi>p</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mfrac><mrow><msub><mi>Q</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow>
,
2
где p(t) - временная зависимость фазы на выходе блока вычисления арктангенса 4.
В момент приема единичного бита
<mrow><msub><mi>p</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mfrac><mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><mi>t</mi></mrow><mrow><msub><mi>Т</mi><mi>Э</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mrow><mi>cos</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><mi>t</mi></mrow><mrow><msub><mi>Т</mi><mi>Э</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>=</mo><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><mi>t</mi></mrow><mrow><msub><mi>Т</mi><mi>Э</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
<mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><mi>t</mi></mrow><mrow><msub><mi>Т</mi><mi>Э</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
где
- смещенная квадратурная компонента единичного бита;
<mrow><mi>cos</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><mi>t</mi></mrow><mrow><msub><mi>Т</mi><mi>Э</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
- смещенная синфазная компонента единичного бита.
В момент приема нулевого бита 21 имеем
2
p(t)=θ(t).
1
2
Сигналы p(t) и p(t) суммируется в сумматоре 5. Осциллограмма полученного суммарного сигнала приведена на фиг.7, где четко видны моменты межсимвольных переходов, например 22.
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>±</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><mi>t</mi></mrow><mrow><msub><mi>Т</mi><mi>Э</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Полученный суммарный сигнал подвергается дифференцированию в дифференциаторе 6. На фиг.8 показана временная зависимость частоты принимаемого сигнала от времени, получаемая на выходе дифференциатора 6 (девиация частоты для заданной скорости 20 бит/с составляет 5 Гц.) Полученные значения частоты соответствуют удвоенной девиации частоты (10 Гц) с разными знаками для нулевых и единичных бит. Видны положительные 23 и отрицательные 24 периодически повторяющиеся короткие выбросы производных, возникающие из-за быстрого процесса перемены знака функции арктангенс, который возникает в моменты, когда
проходит через нуль. Функция косинус принимает нулевое значение при переходе от положительного значения к отрицательному и наоборот, поэтому этот процесс происходит дважды за период колебания удвоенной частоты девиации.
После прохождения продифференцированного сигнала через двухсторонний ограничитель 7, усилитель 8 и статистического усреднения в схеме усреднения 9 получаем результат - выходной сигнал демодулятора, представленный на фиг.9. Сравнивая переданный сигнал на фиг.2 и демодулированный сигнал на фиг.9, можно сделать вывод, что исходная и демодулированная последовательности бит идентичны, что доказывает достоверность заявляемого решения.
Отметим, что в зависимости от величины несущей частоты сигнала заявляемый способ можно реализовать разными вариантами конструктивного исполнения устройства демодуляции сигналов с минимальной частотной манипуляцией:
1. В случае относительно невысокой частоты несущей сигнала (приблизительно несколько сотен мегагерц и меньше), которую можно оцифровать с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП), устройство представляет собой последовательно соединенные АЦП и цифровое программируемое устройство (микрокомпьютер), в котором работа всех блоков, показанных на фиг.1, осуществляется программно.
2. В случае относительно высокой частоты несущей сигнала (сотни мегагерц и выше) квадратурные демодуляторы 1 и 2 выполнены аппаратно, их выходные сигналы оцифровываются с помощью четырехканального АЦП (или четырех одноканальных АЦП), а полученные цифровые сигналы обрабатываются в цифровом программируемом устройстве (микрокомпьютер), в котором работа блоков 3-9, показанных на фиг.1, осуществляется программно.
3. В случае как относительно высоких, так и относительно низких несущих частот сигналов заявляемый способ реализует заявляемое устройство.