ДЕМОДУЛЯТОР ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ
DEMODULATOR OF PHASE-MANIPULATED SIGNALS

Предлагаемый демодулятор относится к радиотехнике и может быть использован в приемных устройствах для демодуляции фазоманипулированных (ФМн) сигналов.
Известны демодуляторы ФМн-сигналов (авт. свид. СССР №№786571, 1322498, 1483666, 1536506; патенты РФ №№2030750, 2326502; патент ЕР №0521525; патент WO №9826545; Сендерский В.А. О помехоустойчивости квазикогерентного детектирования сигналов с фазовой манипуляцией. Радиотехника, 1973, №1; Радиоприемные устройства/ Под ред. А.Г.Зюко, Издательство "Связь", 1975, с.354, рис.14.19,а и др.).
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является демодулятор фазоманипулированных сигналов (Радиоприемные устройства. Под ред. А.Г.Зюко, Издательство "Связь", с.354, рис.14.19,а), который и выбран в качестве прототипа.
Опорное напряжение, необходимое для демодуляции фазоманипулированных сигналов, выделяется в известном демодуляторе непосредственно из самого принимаемого ФМн-сигнала.
Однако указанному демодулятору присуще явление "обратной работы", которое снижает достоверность выделения модулирующего кода (функции) из принимаемого ФМн-сигнала
k
Кроме того, известный демодулятор обеспечивает демодуляцию только сигналов с бинарной фазовой манипуляцией [ФМн-2, φ(t)={0,π}].
Среди широкополосных сигналов с многократной фазовой манипуляцией широкое применение находят сигналы с четырехфазной фазовой манипуляцией со сдвигом (ФМн-4с). Это обусловлено тем, что при данном виде манипуляции удается избежать сдвига фазы на 180°, что имеет место при бинарной фазовой манипуляции
.
и четырехфазной фазовой манипуляции
Эти изменения фазы вызывают модуляцию огибающей сигнала, когда он проходит через избирательные элементы. Изменения огибающей нежелательны, так как дополнительное усиление сигнала нелинейными приборами может увеличить энергию боковых полос, увеличить помехи в соседних каналах и вызвать искажения из-за влияния преобразования. АМ/ФМн.
При четырехфазной фазовой манипуляции
нет изменения фазы сигнала на 180°.
Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства путем демодуляции сигналов с четырехфазной фазовой манипуляцией со сдвигом и устранение явления "обратной работы."
Поставленная задача решается тем, что демодулятор фазоманипулированных сигналов, содержащий, в соответствии с ближайшим аналогом, фазовый детектор, умножитель фазы на два и последовательно включенные узкополосный фильтр и делитель фазы на два, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен полосовым фильтром, умножителем фазы на четыре, частотным детектором, триггером и балансным переключателем, причем выход умножителя фазы на два через полосовой фильтр подключен к первому входу фазового детектора, выход которого является выходом демодулятора, выход узкополосного фильтра соединен с выходом умножителя фазы на четыре, а к выходу делителя фазы на два последовательно подключены частотный детектор, триггер и балансный переключатель, второй вход которого соединен с выходом делителя фазы на два, а выход подключен к второму входу фазового детектора, входы умножителя фазы на два и умножителя фазы на четыре объединены и являются входом демодулятора.
Структурная схема демодулятора фазоманипулированных сигналов (прототип) представлена на фиг.1. Структурная схема предлагаемого демодулятора фазоманипулированных сигналов изображена на фиг.2. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы демодулятора фазоманипулированных сигналов, показаны на фиг.3.
Демодулятор фазоманипулированных сигналов (прототип) содержит последовательно включенные умножитель 2 фазы на два, узкополосный фильтр 3, делитель 4 фазы на два и фазовый детектор 1, выход которого является выходом демодулятора, при этом второй вход фазового детектора 1 и вход умножителя 2 фазы на два объединены и являются входом демодулятора.
Предлагаемый демодулятор фазоманипулированных сигналов содержит последовательно включенные умножитель 2 фазы на два, полосовой фильтр 5 и фазовый детектор 1, выход которого является выходом демодулятора, последовательно включенные умножитель 6 фазы на четыре, узкополосный фильтр 3, делитель 4 фазы на два, частотный детектор 7, триггер 8 и балансный переключатель 9, второй вход которого соединен с выходом делителя 4 фазы на два, а выход подключен к второму входу фазового детектора 1, входы умножителя 2 фазы на два и умножителя 6 фазы на четыре объединены и являются входом демодулятора фазоманипулированных сигналов.
Демодулятор фазоманипулированных сигналов работает следующим образом. Принимаемый сигнал с четырехфазной фазовой манипуляцией со сдвигом (ФМн-4с) (фиг.3,б)
c
c
c
k
c
c
U(t)=Ucos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
c
c
c
c
где U, ω, φ, T - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала;
- манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с манипулирующим кодом M(t) (фиг.3,а), причем
к
э
э
э
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-1);
э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью
c
c
э
T(T=Nτ),
Одновременно поступает на входы умножителя 2 фазы на два и умножителя 6 фазы на четыре.
На выходе умножителя 2 фазы на два образуется сигнал с бинарной фазовой манипуляцией (фиг.3,в)
1
1
1
k1
1
c
U(t)=Ucos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T
где ;
1
ω=2ωc;
k1
k
φ(t)=2φ(t)={0,π,3π};
1
c
φ=2φ,
который выделяется полосовым фильтром 5 и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 1.
На выходе умножителя 6 фазы на четыре образуется гармоническое напряжение (фиг.3,г)
2
2
2
2
c
U(t)=Ucos[ωt+φ], 0≤t≤T,
где ;
2
ω=4ωc;
2
c
φ=4φ,
которое выделяется узкополосным фильтром 3 и поступает на вход делителя 4 фазы на два.
k
Так как 4φ(t)={0,2π,6π}, то в указанном напряжении манипуляция фазы уже отсутствует.
На выходе делителя 4 фазы на два образуется напряжение (фиг.3,д)
0
0
1
1
c
U(t)=U·cos[ωt+φ], 0≤t≤T,
1
2
c
где ω=ω/2=2ω;
1
2
c
φ=φ/2=2φ.
которое используется в качестве опорного напряжения и через балансный переключатель 9 подается на второй (опорный) вход фазового детектора 1. На выходе фазового детектора выделяется низкочастотное напряжение в прямом коде (фиг.3,е)
н1
н
к
c
U(t)=Ucosφ(t), 0≤t≤T,
или инверсном (обратном) коде (фиг.3,з)
н2
н
k
c
U(t)=Usinφ(t), 0≤t≤T,
где
Однако известному демодулятору фазоманипулированных сигналов (фиг.1) присуще явление "обратной работы", которое может быть двух типов.
0
1
1
1
1
Первый тип "обратной работы" обусловлен неопределенностью начальной фазы опорного напряжения U(t), выделяемого непосредственно из принимаемого ФМн-сигнала U(t). При равновероятном значении переменной составляющей фазы сигнала φ=0 и φ =π отсутствует признак, который позволял бы "привязывать" фазу
1
0
1
2
1
φ, опорного напряжения U(t) к одной из фаз сигнала. Поэтому фаза опорного напряжения всегда имеет два устойчивых состояния: φ, (фиг.3,д) и φ=φ+π (фиг.3,ж). Это легко показать аналитически.
Если произвести деление, аналогичное предыдущему, но предварительно добавив к аргументу угол 2π, что не изменяет исходного напряжения, то после деления фазы на два получится напряжение, сдвинутое по фазе на π (фиг.3,ж)
.
Следовательно, двузначность фазы полученного опорного напряжения вытекает из самого процесса деления. Физически указанная двузначность фазы объясняется неустойчивой работой делителя 4 фазы на два.
н1
н2
1
Таким образом, даже имея в точке приема опорное напряжение с постоянной фазой и частотой, равной частоте ФМн-сигнала, можно выделить аналог либо исходной модулирующей функции U(t) (фиг.3,е), либо инверсной (обратной) модулирующей функции U(t) (фиг.3,з) в зависимости от того, как будут сфазированы ФМн-сигнал U(t) (фиг.3,в) и опорное напряжение (фиг.3,д,ж).
1
н1
н2
Однако, анализируя аналог модулирующей функции M(t) (фиг.3,а), выделяемой из принимаемого ФМн-сигнала U(t) (фиг.3,в) в прямом U(t) (фиг.3,е) или обратном U(t) (фиг.3,з) коде, можно достоверно определить ее параметры (закон фазовой манипуляции, длительность τ и количество N элементарных посылок).
При этом не принципиально, в прямом или обратном ходе анализируются аналоги модулирующей функции. Необходимо, чтобы было обеспечено постоянство фазы опорного напряжения, а следовательно, и аналога модулирующей функции в течение всего времени приема, демодуляции и анализа.
Именно такая ситуация возникает в тех реальных условиях приема, когда отсутствуют априорные сведения о параметрах принимаемого ФМн-4с-сигнала. Поэтому в процессе когерентного приема и синхронного детектирования ФМн-4с-сигналов нет необходимости раскрывать неопределенность фазы опорного напряжения, которое является внутренним свойством данных сигналов.
Следовательно, первый тип "обратной работы" не снижает помехоустойчивости приема и демодуляции ФМн-4с-сигналов и не влияет на достоверность определения их параметров.
1
1
н3
Второй тип "обратной работы" обусловлен скачкообразными переходами фазы опорного напряжения из одного состояния φ в другое φ+π под действием помех, кратковременного прекращения приема и других факторов. Эти переходы за время приема сигнала происходят в случайные моменты времени, например t1, t2 (фиг.3,и). При этом на выходе фазового детектора 1 выделяется искаженный аналог модулирующей функции U(t) (фиг.3,к).
Данный тип "обратной работы " является весьма вредным в технике когерентного приема и синхронного детектирования ФМн-4с-сигналов и делает невозможным достоверное определение вышеуказанных параметров.
В настоящее время существует несколько методов устранения "обратной работы" второго типа.
Можно применять, например, специальные испытательные посылки для подтверждения правильности установки начальной фазы в приемнике [Петрович Н.Т., Размахнин М.К. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Сов. радио, 1980 - 440 с.]; можно также использовать специальные коды, обнаруживающие и исправляющие ошибки, вызванные "обратной работой" второго типа [Хоменюк Ю.В. Об устранении "обратной работы" в когерентном приемнике сигналов, манипулированных по фазе. Радиоэлектроника, 1966, №6]. Однако указанные методы связаны с введением в сигнал некоторой избыточности, снижающей эффективность использования фазовой манипуляции.
э
"Обратная работа" была устранена радикальным образом, когда вместо обычной фазовой манипуляции (ФМн) Петровичем Н.Т. была предложена относительная фазовая манипуляция (ОФМн) [Петрович Н.Т. Передача дискретной информации в каналах связи с фазовой манипуляцией. М.: Сов. радио, 1965]. Сущность данного метода заключается в том, что опорным напряжением для каждой элементарной посылки служит предыдущая посылка. Практическая реализация фазовой манипуляции в системах ОФМн усложняет аппаратуру при одновременном снижении помехоустойчивости системы. Переход от ФМн к ОФМн связан с эквивалентным увеличением шумов в канале в два раза. Кроме того, система ОФМн для своей реализации требует априорного знания длительности τ, элементарных посылок и имеет тенденцию к парному группированию ошибок, т.е. появление одной ошибки влечет за собой появление и второй.
Следовательно общая вероятность ошибок значительно увеличивается.
Поэтому разработка методов и устройств, обеспечивающих устранение явления "обратной работы" второго типа в системах фазовой манипуляции, всегда была и остается актуальной.
В предлагаемом демодуляторе фазоманипулированных сигналов используется метод стабилизации фазы опорного напряжения, который реализуется частотным детектором 7, триггером 8 и балансным переключателем 9. При этом частотный детектор 7 обеспечивает обнаружение момента возникновения "обратной работы" второго типа, а триггер 8 и балансный переключатель 9 устраняют ее.
При скачкообразном изменении фазы опорного напряжения на +180° в момент времени t1 (фиг.3,и) на выходе частотного детектора 7 появляется короткий положительный импульс, а при скачке фазы на -180° в момент времени t2 (возвращение фазы сигнала опорного напряжения в первоначальное состояние) - короткий отрицательный импульс. Знакочередующие импульсы с выхода частотного детектора 7 управляют работой триггера 8, выходное напряжение которого, в свою очередь, управляет работой балансного переключателя 9.
В устойчивом состоянии, когда фаза опорного напряжения совпадает, например, с нулевой фазой принимаемого ФМн-сигнала, на выходе триггера 8 образуется отрицательное напряжение и балансный переключатель 9 находится в своем первоначальном положении, при котором опорное напряжение с выхода делителя 4 фазы на два поступает через балансный переключатель 9 на опорный вход фазового детектора 1 без изменения.
При скачкообразном изменении фазы опорного напряжения на +180°, обусловленном, например, неустойчивой работой делителя 4 фазы на два под действием помех, триггер 8 коротким положительным импульсом с выхода частотного детектора 7 переводится в другое устойчивое состояние. При этом выходное напряжение триггера 8 в момент времени t1 становится и остается положительным до очередного скачка фазы в момент времени t2, который возвращает фазу опорного напряжения в первоначальное состояние.
Положительное выходное напряжения триггера 8 (фиг.3,м) переводит балансный переключатель 9 в другое устойчивое состояние, при котором опорное напряжение с выхода делителя 4 фазы на два поступает на опорный вход фазового детектора 1 с изменением фазы на -180°. Это позволяет устранить нестабильность фазы опорного напряжения, вызванную скачкообразным ее изменением под действием помех, и связанную с ней "обратную работу" второго типа.
Таким образом, предлагаемый демодулятор фазоманипулированных сигналов по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает демодуляцию сигналов с четырехфазной фазовой манипуляцией со сдвигом (Фмн-4с) и устраняет явление "обратной работы" второго типа. Это достигается предварительным трансформированием сигнала с четырехфазной фазовой манипуляцией со сдвигом (Фмн-4с) в сигнал с бинарной фазовой манипуляцией (Фмн-2) путем умножения его фазы на два и использования метода стабилизации фазы опорного напряжения. Причем для реализации указанного метода используются частотный детектор, триггер и балансный переключатель. Частотный детектор обеспечивает обнаружение момента возникновения "обратной работы" второго типа, а триггер и балансный переключатель устраняют ее.
Тем самым функциональные возможности демодулятора фазоманипулированных. сигналов расширены.