НЕКОГЕРЕНТНЫЙ ПРИЕМНИК ЧАСТОТНО-МАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ С МИНИМАЛЬНЫМ СДВИГОМ
INCOHERENT RECEIVER FREQUENCY-SHIFT KEYED SIGNAL WITH MINIMAL SHIFT

Изобретение относится к системам передачи аналоговой и дискретной информации в цифровой форме и может быть использовано при разработке радиоприемных модулей систем мобильной радиосвязи.
Наибольшая помехоустойчивость приема частотно-манипулированных сигналов с минимальным сдвигом (ЧМ-МС сигналов) достигается при их когерентной обработке. Однако необходимость восстановления опорных колебаний с точностью до начальной фазы включительно приводит к усложнению когерентных приемников и создает проблему вхождения в синхронизм [Бабенко И.П. Радиотехника. 1992, №3]. Поэтому с практической точки зрения определенный интерес представляют некогерентные приемники ЧМ-МС сигналов, которые при некотором снижении помехоустойчивости относительно когерентного приема упрощают техническую реализацию приемного устройства.
Известен некогерентный приемник ЧМ-МС сигналов с относительной манипуляцией [Бабенко И.П. Радиотехника. 1992, №3, рис.1], который состоит из последовательно соединенных полосового фильтра, перемножителя, низкочастотного фильтра, порогового устройства, а также линии задержки, вход которой подключен к выходу полосового фильтра, а выход - ко входу фазовращателя на π/2, выход которого подключен ко второму входу перемножителя, первый вход которого соединен с выходом полосового фильтра.
Известно также устройство для автокорреляционного приема сигналов при манипуляции с минимальным сдвигом частоты (Авт. свид. СССР №1188901, МПК H04L 27/14, 1985), состоящее из последовательно соединенных полосового фильтра, фазового детектора, низкочастотного фильтра, сумматора, а также линии задержки, вход которой подключен к выходу полосового фильтра, а выход - ко входу фазового детектора.
0
0
0
з
Т
1
Недостатками данных приемников, снижающих помехоустойчивость приема, является неудовлетворительный прием ЧМ-МС сигнала, несущая частота ω которого не соответствует условию ωt=2πl (где l - целое число), то есть на временном интервале информационного элемента длительностью Т не умещается целое количество периодов высокочастотного колебания с частотой ω. В этом случае резко возрастают энергетические потери при приеме дискретной информации. Кроме того, определенные трудности возникают при разработке линии задержки высокочастотного сигнала на время t=Т, используемой в данном приемнике. Причем эти трудности тем больше, чем меньше скорость передачи информации R=/, поскольку в этом случае необходимо реализовать большее время задержки.
0
0
з
Наиболее близким к заявленному приемнику, по технической сущности и достигаемому эффекту, является некогерентный приемник ЧМ-МС сигналов с относительной манипуляцией, представленный в Бабенко И.П. Радиотехника. 1992, №3, рис.3. Этот приемник содержит два квадратурных канала, каждый из которых включает основной перемножитель, первый вход которого, объединенный с первым входом основного перемножителя из другого канала, и является входом приемника, второй вход этого перемножителя соединен с генератором опорного напряжения (sinωt - в первом детекторе и cosωt - во втором), а выход этого перемножителя соединен с пассивным линейным фильтром нижних частот, включает также линию задержки на время t=Т и дополнительный перемножитель, первый вход которого объединен со входом этой линии задержки, а второй вход этого перемножителя соединен с выходом линии задержки из другого канала, а также содержит вычитающее устройство, входы которого подключены к выходам дополнительных перемножителей из двух квадратурных каналов, и пороговое устройство, которое является выходом приемника.
s
0
c
0
Для устранения эффекта «обратной работы» на передающей стороне линии передачи информации используется относительная манипуляция ЧМ-МС сигнала, а в приемнике-прототипе осуществляется обратное перекодирование принимаемых элементарных посылок (элементов) с помощью упомянутых линий задержки и дополнительных перемножителей, выходы которых подключены к вычитающему устройству. Обратное перекодирование осуществляется путем вычисления скалярного произведения принятого элемента в одном из квадратурных каналов с ближайшим предыдущим элементом, принятым в другом квадратурном канале. Вычисление скалярного произведения соседних элементов (посылок) ЧМ-МС сигнала осуществляется, как следует из приведенного выше описания схемы приемника-прототипа, на основе использования ортогональных проекций этих посылок на координатные функции (оси) в виде u(t)=sinωt и u(t)=cosωt.
s
0
c
0
Фильтровой способ формирования ортогональных проекций принимаемого ЧМ-МС сигнала, реализованный в приемнике-прототипе, позволяет получить простую и удобную для цифровой реализации структуру приемника. Однако известно [Тихонов В.И. «Статистическая радиотехника» - М.: Советское радио, 1966, 678 с., с.431 и Гуткин Л.С. Теория оптимальных методов радиоприема при флуктуационных помехах. - М.: Радио и связь. 1972, с.48], что при реализации в приемнике пассивных линейных несогласованных фильтров вместо корреляторов может быть осуществлен лишь квазиоптимальный прием ЧМ-МС сигналов, что приведет к уменьшению отношения сигнал/помеха на входе порогового устройства по сравнению с корреляционным способом приема (не менее чем на 20% по напряжению в зависимости от формы частотной характеристики этого фильтра и значения его полосы пропускания). Кроме того, использованные в приемнике-прототипе координатные функции (опорные напряжения) в виде u(t)=sinωt и u(t)=cosωt отличаются, как будет показано далее, от координатных функций, обеспечивающих достижение потенциальных показателей помехоустойчивости приема ЧМ-МС сигнала с неизвестной начальной фазой. Это является дополнительной причиной снижения отношения помеха/сигнал на входе порогового устройства, что также негативно сказывается на помехоустойчивости приемника-прототипа.
Таким образом, реализация в приемнике - прототипе пассивных линейных несогласованных фильтров вместо корреляторов, а также координатных функций, отличающихся от координатных функций, обеспечивающих достижение потенциальных показателей помехоустойчивости, снижает помехоустойчивость некогерентного приема ЧМ-МС сигналов.
Технический результат при осуществлении изобретения - обеспечение потенциальной помехоустойчивости некогерентного приемника ЧМ-МС сигнала на основе реализации оптимального некогерентного алгоритма обработки принимаемого сигнала.
0
0
0
0
Поставленный технический результат достигается тем, что в известную схему некогерентного приемника частотно-манипулированных сигналов с минимальным сдвигом, содержащего два канала, каждый из которых включает основной перемножитель, первый вход которого объединен с первым входом перемножителя из другого канала и является входом приемника, линию задержки и дополнительный перемножитель, первый вход которого объединен со входом этой линии задержки, а второй вход этого перемножителя соединен с выходом линии задержки из другого канала, а также содержит вычитающее устройство, первый вход которого подключен к выходу дополнительного перемножителя из первого канала, и пороговое устройство, которое является выходом приемника, в каждый из этих двух каналов введен подключенный ко второму входу основного перемножителя генератор опорного напряжения sin(πt/2T)sinωt - в первом канале и cos(πt/2T)cosωt - во втором канале, введен в каждый из каналов интегратор, причем вход интегратора соединен с выходом основного перемножителя, а выход этого интегратора подключен ко входу линии задержки и первому входу дополнительного перемножителя, в него введены дополнительно третий и четвертый каналы, отличающиеся от других каналов тем, что в третьем канале генератор опорного напряжения формирует напряжение sin(πt/2T)cosωt, а в четвертом канале - напряжение cos(πt/2T)sinωt, а также введено второе вычитающее устройство, первый и второй входы которого подключены к выходам дополнительных перемножителей из второго и четвертого каналов соответственно, а второй вход первого вычитающего устройства подсоединен к выходу дополнительного перемножителя третьего канала, выходы этих вычитающих устройств через введенный коммутатор подключены ко входу порогового устройства, которое является выходом приемника.
0
0
0
0
oш
-6
-3
Замена в каждом из каналов известного некогерентного приемника ЧМ-МС сигнала генераторов с опорными колебаниями cosωt и sinωt соответственно на генераторы с опорными колебаниями cos(πt/2T)cosωt и sin(πt/2T)sinωt, фильтров нижних частот на интеграторы со сбросом, а также введение дополнительно двух каналов, вычитающего устройства и коммутатора позволит снизить энергетические потери не менее чем на 2…3 dB в области P=10…10 относительно прототипа. Важно отметить, что предложенная схема некогерентного приемника ЧМ-МС сигнала является оптимальной, поскольку реализует потенциальную помехоустойчивость приема ЧМ-МС сигнала с неизвестной начальной фазой, что обуславливает полное отождествление функциональных преобразований, выполняемых заявленным приемником над входным ЧМ-МС сигналом, с математическим алгоритмом оптимального приема ЧМ-МС сигнала по критерию максимума отношения правдоподобия.
Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам предлагаемого приемника. Выбор из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к сформулированному техническому результату признаков в заявленном приемнике, которые изложены в формуле изобретения. Поэтому заявленное изобретение соответствует критерию «новизна».
Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию «изобретательский уровень» проведен поиск и анализ известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с признаками предлагаемого приемника. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает явным образом из известного уровня техники, определенного заявителем. Заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:
дополнение известного средства каким-либо известным блоком, присоединяемым к нему по известным правилам, для достижения технического результата;
замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата;
увеличение однотипных элементов для достижения сформулированного технического результата;
создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между ними осуществлены по известным правилам, а достигнутый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связями между ними.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Предлагаемое техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость», так как совокупность характеризующих его признаков обеспечивает возможность его существования, работоспособность и воспроизводимость, так как для реализации заявляемого технического решения могут быть использованы известные материалы и оборудование.
На чертеже приведена структурная схема предлагаемого некогерентного приемника ЧМ-МС сигнала.
Заявленный некогерентный приемник ЧМ-МС сигнала содержит четыре канала 1.1-1.4, вычитающие устройства 2.1, 2.2, коммутатор 3 и устройство сравнения 4.
0
0
0
0
з
Каждый канал 1.1-1.4 содержит основной 5.1-5.4 и дополнительный 6.1-6.4 перемножители, генератор опорного напряжения 7.1-7.4 (генератор 7.1 формирует напряжение sin(πt/2T)sinωt, генератор 7.2 - напряжение cos(πt/2T)cosωt, генератор 7.3 - напряжение sin(πt/2T)cosωt, генератор 7.4 - напряжение cos(πt/2T)sinωt), интегратор 8.1-8.4, линию задержки 9.1-9.4 на время t=T, причем выход дополнительного перемножителя 6.1-6.4 является выходом канала 1.1-1.4. Выходы каналов 1.1-1.4 подключены ко входам вычитающих устройств 2.1, 2.2, причем выходы каналов 1.1 и 1.3 подключены ко входу вычитающего устройства 2.1, а выходы каналов 1.2 и 1.4 - ко входу вычитающего устройства 2.2. Выходы этих вычитающих устройств через коммутатор 3 подключены ко входу порогового устройства 4, которое является выходным заявленного некогерентного приемника приемника ЧМ-МС сигнала, а объединенные первые входы перемножителей 5.1-5.4 являются входом этого приемника, на котором действует принимаемый сигнал. Вторые входы перемножителей 5.1-5.4 подключены к выходам соответствующих по номерам генераторов опорных напряжений 7.1-7.4, а выходы этих перемножителей подключены к входам соответствующих по номерам интеграторов 8.1-8.4, выходы которых подключены к соответствующим по номерам линиям задержки 9.1-9.4 и первым входам перемножителей 6.1-6.4, вторые входы которых соединены с выходами линий задержки (ЛЗ) соседних каналов (ЛЗ 9.1 соединена с перемножителем 6.2, ЛЗ 9.2 соединена с перемножителем 6.1, ЛЗ 9.3 и 9.4 соединены соответственно с перемножителями 6.4 и 6.3), далее, выходы перемножителей 6.1 и 6.3 подключены через вычитающее устройство 2.1 к одному из входов коммутатора 3, а выходы перемножителей 6.2 и 6.4 подключены через вычитающее устройство 2.2 к другому входу этого коммутатора, выход которого подключен к пороговому устройству 7.
Блоки, используемые в заявленном приемнике ЧМ-МС сигнала, могут быть созданы на основе аппаратурной, программной либо аппаратурно-программной реализации с использованием устройств, широко применяемых в современной технике передачи информации и подробно описанных в ряде известных монографий, например, в Заездный А.Б., Окунев Ю.Б., Рахович Л.М. Фазоразностная модуляция. - М.: Связь, 1967, 304 с.
Аппаратурная реализация блоков могут быть выполнена следующим образом.
Генераторы опорных напряжений 2.1-2.4 представляют собой электронные генераторы синусоидального напряжения.
з
Линии задержки 4.1-4.4 могут быть реализованы на основе управляемых линий задержки по постоянному напряжению с задержкой на время τ, равное длительности передаваемого элемента Т.
Перемножители 1.1-1.8, интеграторы 3.1-3.4, вычитающие устройства 5.1, 5.2 и пороговое устройство 8 могут быть реализованы с использованием сочетания дифференциальных усилителей с внешними (навесными) элементами, которые реализуют соответствующие операции над сигналами.
k
В предлагаемом некогерентном оптимальном четырехканальном корреляционном приемнике ЧМ-МС сигнала, структурная схема которого представлена на чертеже и получена на основе статистического синтеза с использованием критерия в виде максимума отношения правдоподобия, осуществляется вычисление скалярного произведения Z, k=1,2,3,4…, k-ой и (k-1)-ой по счету посылок принимаемого ЧМ-МС сигнала
sk
ck
sk
ck
где d, d, b, b - проекции указанных двух соседних посылок ЧМ-МС сигнала на соответствующие координатные функции в виде опорных напряжений.
Причем эти проекции представляют собой интегралы по переменной t от произведений указанных посылок сигнала x(t) на соответствующие опорные напряжения
Пределы интегрирования в (2) для четных значений k=2, 4, 6,… определяются выражениями
а для нечетных значений k=1,3,5… - выражениями
пор
k
k
Далее скалярное произведение (1) сравнивается в пороговом устройстве 4 приемника с порогом Z=0 с целью вынесения решения о значении передаваемого двоичного элемента j=0 или j=1:
Полезно установить взаимосвязь и существенные различия предлагаемого оптимального некогерентного приемника, реализующего алгоритм (5), с рядом известных некогерентных приемников ЧМ-МС сигнала.
ck
ck
1
0
0
k
Если в интегралах (2), определяющих компоненты d и b скалярного произведения (1), перейти к новой переменной t=t+Т и преобразовать после этого левую часть (5) путем ортогонализации координатных функций по правилу, изложенному в Заездный А.Б., Окунев Ю.Б., Рахович Л.М. Фазоразностная модуляция. - М.: Связь, 1967, стр.26, то после выкладок, основанных на том, что несущая частота ω ЧМ-МС сигнала удовлетворяет условию ωT=2πl, где l - целое число, получим известный эквивалентный по помехоустойчивости некогерентный автокорреляционный «интегральный» приемник, базирующийся на вычислении скалярного произведения Z не через проекции соседних посылок на координатные функции, как в заявленном приемнике, а через интеграл от произведения входного ЧМ-МС сигнала x(t) на напряжение , представляющее собой преобразование Гильберта от сигнала x(t), задержанного на время T:
нк
вк
нk
вk
где пределы интегрирования t и t определяются для k=1,2,3… в соответствии с (3) и (4) следующим образом: t=kT, t=(k+2)T.
Если в (6) заменить интегратор со сбросом на пассивный линейный фильтр, то получим автокорреляционный фильтровой некогерентный квазиоптимальный приемник, представленный в Бабенко И.П. Радиотехника. 1992, №3, рис.1, который уступает по помехоустойчивости автокорреляционному «интегральному» приемнику, реализующему алгоритм (6).
0
0
Если в изображенном на чертеже оптимальном корреляционном четырехканальном приемнике вместо указанных опорных напряжений использовать гармонические колебания с постоянной амплитудой в виде sinωt и cosωt, a интеграторы 8.1-8.4 заменить на пассивные линейные низкочастотные фильтры, то после очевидных преобразований приходим к представленному в Бабенко И.П. - Радиотехника. 1992, №3, рис.3 квазиоптимальному корреляционному двухканальному фильтровому приемнику-прототипу.
На основе проведенного анализа можно сделать следующие выводы.
1. Наибольшая помехоустойчивость достигается в заявленном приемнике, поскольку в нем осуществляется оптимальная обработка принимаемого сигнала по критерию максимума отношения правдоподобия. Эта помехоустойчивость определяется отношением энергии сигнала к спектральной плотности мощности шума на входе приемника.
0
0
2. Представленный в Бабенко И.П. - Радиотехника. 1992, №3, рис.1 аналог - автокорреляционный фильтровой квазиоптимальный приемник по помехоустойчивости также уступает заявленному приемнику, даже если выполняется существенное ограничение ωТ=2πt, где l - целое число, a ω и T представляют собой несущую и длительность посылок ЧМ-МС сигнала. В противном случае помехоустойчивость аналога резко уменьшается.
Кроме того, в аналоге используется линия задержки по высокой частоте, разработка которой оказывается более сложной задачей по сравнению с разработкой линий задержки по постоянному напряжению, которые используются в заявленном приемнике.
3. Представленный в Бабенко И.П. - Радиотехника. 1992, №3, рис.3 прототип - квазиоптимальный приемник ЧМ-МС сигнала по помехоустойчивости также уступает заявленному оптимальному приемнику. Величина проигрыша в помехоустойчивости прототипа определяется видом и шириной полосы пропускания используемых в прототипе фильтров нижних частот. В лучшем случае он может составлять (2-3) дБ.
Для создания как прототипа, так и заявляемого приемника используются практически одинаковые узлы (блоки), однако в заявляемом приемнике количество используемых блоков оказывается в два раза больше, чем в прототипе, что не является существенным недостатком заявляемого приемника, так как на современном этапе разработки радиоэлектронных средств на основе микроминиатюризации элементной базы и программной реализации алгоритмов работы создаваемой аппаратуры с помощью спецвычислителей либо процессоров общего назначения, число используемых блоков не является определяющим.
Заявленный некогерентный приемник ЧМ-МС сигнала работает следующим образом. Положим, для определенности, что ЧМ-МС сигнал с относительной манипуляцией формируется квадратурным способом [Банкет В.Л., Дорофеев В.М. Цифровые методы в спутниковой связи. - М.: Радио и связь. 1988, 240 с.]. В этом случае на вход приемника поступает ЧМ-МС сигнал, который можно записать следующим образом [Агафонов А.А., Поддубный В.Н. - Радиотехника, 1998, №1]:
s
c
k
s
c
k
k
a(t) и a(t) - функции, представляющие собой последовательности биполярных импульсов длительностью 2T, где Т - длительность предназначенных для передачи двоичных элементов j=0,1. При этом последовательности a(t) и a(t) - это последовательности соответственно четных и нечетных биполярных импульсов из общей последовательности a (t)=a этих импульсов, где k - номер импульса этой последовательности.
c
s
k
Номера µ временных интервалов последовательностей a (t) и a (t) и номера k биполярных импульсов общей последовательности a(t) связаны соотношениями
k
k-1
k
k
k
Наконец, передаваемый k-ый по счету двоичный элемент j=0,1 связан с биполярными импульсами a и a последовательности a(t)=a выражением
.
s
s
c
c
Из напряжения y(t), в которое входят биполярные импульсы a(t), в рассматриваемом некогерентном приемнике формируются две ортогональные проекции на соответствующие координатные функции (оси) с помощью интеграторов 3.1 и 3.3. Ортогональные проекции напряжения y(t), в которое входят биполярные импульсы a(t), формируются с помощью интеграторов 3.2 и 3.4.
Пределы (интервалы) интегрирования, вытекающие из формулы (8), определяются выражениями (3) и (4).
Таким образом, для некогерентного приема ЧМ-МС сигнала используется четыре канала 1.1-1.4. В каждом из каналов, для краткости изложения, обозначим совокупность элементов, состоящую из основного перемножителя, генератора опорного напряжения и интегратора, как фазовый детектор соответствующего канала.
В каждом канале рассматриваемого приемника выполняются следующие операции:
s
sk
sk
k
фазовыми детекторами в первом и третьем канале осуществляется некогерентное детектирование сигнала y(t) путем формирования проекций этого сигнала на соответствующие координатные функции (оси), другими словами, в этих детекторах формируются составляющие d и b (2) скалярного произведения Z(1);
c
ck
ck
k
второй и четвертый фазовые детекторы осуществляют некогерентное детектирование сигнала y(t) путем формирования проекций этого сигнала на соответствующие координатные функции (оси), то есть в этих детекторах формируются составляющие d и b (2) скалярного произведения Z (1);
с помощью комбинаций элементов: линия задержки 9.1 и перемножитель 6.2 и линия задержки 9.2 и перемножитель 6.1, а также линия задержки 9.3 и перемножитель 6.4 и линия задержки 9.4 и перемножитель 6.3 осуществляется умножение проекции принятого элемента в одном из каналов на соответствующую проекцию ближайшего предыдущего элемента, принятого в другом канале.
k
ck
sk
ck
sk
k
ck
sk
ck
sk
Далее в вычитающем устройстве 2.2 формируется скалярное произведение Z(l) для четных значений k (для четных значений тактовых интервалов kT) путем алгебраического суммирования значений произведений dd и -bb, взятых с выходов перемножителей 6.1 и 6.3, а в вычитающем устройстве 2.1 формируется скалярное произведение Z (1) для нечетных значений k (для нечетных значений тактовых интервалов kT) путем алгебраического суммирования значений произведений dd и -bb, взятых с выходов перемножителей 6.2 и 6.4.
k
k
k
Через коммутатор 3 значения скалярных произведений Z для нечетных и четных значений k поочередно поступают в тактовые моменты kT, k=1,2,3,4,…, на пороговое устройство 7, которое принимает решение о переданном двоичном элементе j=0 или j=1.
k
k
0
Таким образом, предлагаемый приемник осуществляет некогерентное детектирование ЧМ-МС сигнала, поскольку при вынесении решения о переданном элементе j=0 или j=1 в приемнике не используется информация о начальной фазе φ принимаемого ЧМ-МС сигнала (7).
Изложенные сведения свидетельствуют о возможности выполнения при реализации заявленного приемника следующей совокупности условий:
предлагаемый приемник при его реализации позволит обеспечить прием аналоговой и дискретной информации, передаваемой в цифровой форме частотно-манипулированным сигналом с минимальным сдвигом;
показана возможность реализации на практике заявленного приемника в том виде, как он охарактеризован в формуле изобретения, с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
предлагаемый приемник при его разработке способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.