УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕМОДУЛЯЦИИ ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ

Полезная модель относится к области радиомониторинга фазоманипулированных сигналов (ФМС) с большим априорно неизвестным диапазоном доплеровского смещения частоты.
Известен демодулятор ФМС по схеме Пистолькорса [1 - Петрович Н.Т. "Передача дискретной информации в каналах с фазовой манипуляцией". - М.: Сов. Радио, 1965], состоящий из входного полосового фильтра, фазового детектора и канала восстановления несущего колебания, включающего в себя удвоитель частоты, узкополосный фильтр, делитель частоты, фазовращатель.
Недостатком данного аналога является низкая помехоустойчивость, обусловленная тем, что при большом диапазоне априорной неопределенности доплеровского смещения частоты сигнала необходимо существенно увеличивать полосу пропускания узкополосного фильтра.
Известен также автокорреляционный демодулятор ФМС [2 - Феер К. "Беспроводная цифровая связь". - М.: радио и связь, 2000], состоящий из входного полосового фильтра, двух перемножителей, двух фильтров нижних частот, двух ограничителей, линии задержки, фазовращателя на 90° и параллельно-последовательного преобразователя.
К недостаткам данного аналога следует отнести наличие порогового эффекта, снижающего помехоустойчивость при входном отношении сигнал-шум близком к единице.
Из известных устройств, подобных заявленной полезной модели, наиболее близким по технической сущности является демодулятор ФМС по схеме Костаса [3 - Шахтарин Б.И. "Синхронизация в радиосвязи и радионавигации". - М.: Гемос АРВ, 2007. - 256 с], взятый за прототип, содержащий первый, второй и третий перемножители, первый и второй фильтры нижних частот, петлевой фильтр, первый фазовращатель, управляемый генератор, первый управитель, причем вход демодулятора подключен параллельно к первым входам первого и второго перемножителей, ко второму входу первого перемножителя подключен непосредственно выход управляемого генератора, а ко второму входу второго перемножителя выход управляемого генератора подключен через первый фазовращатель, выход первого перемножителя подключен к первому входу третьего перемножителя через первый фильтр нижних частот, выход второго перемножителя подключен ко второму входу третьего перемножителя через второй фильтр нижних частот, выход третьего перемножителя подключен к управляющему входу управляемого генератора через каскадно включенные петлевой фильтр и первый управитель, выходом демодулятора является выход первого фильтра нижних частот.
К недостаткам прототипа следует отнести увеличение времени регулирования частоты управляемого гетеродина до вхождения демодулятора в синхронизм в случае приема ФМС с большим диапазоном априорной неопределенности по доплеровскому смещению частоты.
Техническим результатом создания полезной модели является уменьшение времени регулирования управляемого генератора до вхождения устройства демодуляции ФМС в синхронизм при фиксированном значении вероятности ошибочных решений и улучшение эксплуатационных характеристик устройства демодуляции за счет использования цифровой элементной базы с низкой частотой дискретизации.
Для достижения указанного технического результата предлагается устройство для демодуляции ФМС, содержащее первый, второй и третий перемножители, первый и второй фильтры нижних частот, петлевой фильтр, первый управитель, первый фазовращатель, управляемый генератор, причем вход устройства подключен к первым входам первого и второго перемножителей, ко второму входу первого перемножителя подключен выход управляемого генератора непосредственно, а ко второму входу второго перемножителя подключен выход управляемого генератора, через каскадно установленный первый фазовращатель, выход первого перемножителя соединен с первым входом третьего перемножителя через каскадно включенный первый фильтр нижних частот, выход второго перемножителя соединен со вторым входом третьего перемножителя через каскадно включенный второй фильтр нижних частот, выход третьего перемножителя соединен со входом управляемого генератора через каскадно включенные петлевой фильтр, первый управитель и второй сумматор.
Согласно полезной модели, дополнительно введены решающее устройство, автокорреляционный частотный дискриминатор и второй сумматор, причем решающее устройство имеет два входа и два выхода и состоит из четвертого, пятого, шестого и седьмого перемножителей, первой и второй линий задержки, первого сумматора, первого и второго вычитателей, третьего и четвертого фильтров нижних частот, первого функционального преобразователя и второго управителя, причем к первому входу решающего устройства параллельно подключены первые входы четвертого и шестого перемножителей и вход первой линии задержки, к выходу которой параллельно подключены вторые входы четвертого и пятого перемножителей, ко второму входу решающего устройства параллельно подключены первые входы пятого и седьмого перемножителей и вход второй линии задержки, к выходу которой параллельно подключены вторые входы шестого и седьмого перемножителей, к выходу четвертого перемножителя параллельно подключены первые входы первого сумматора и второго вычитателя, к выходу пятого перемножителя подключен первый вход первого вычитателя, к выходу шестого перемножителя подключен второй вход первого вычитателя, к выходу седьмого перемножителя параллельно подключены второй вход первого сумматора и второй вход второго вычитателя, выход первого сумматора через каскадно включенный третий фильтр нижних частот подключен к первому входу первого функционального преобразователя, выход первого вычитателя через каскадно включенный четвертый фильтр нижних частот подключен ко второму входу первого функционального преобразователя, выход которого через каскадно включенный второй управитель подключен к первому выходу решающего устройства и далее подается на второй вход второго сумматора, выход второго вычитателя подключен ко второму выходу решающего устройства и далее подается на вход автокорреляционного частотного дискриминатора, который состоит из пятого, шестого и седьмого фильтров нижних частот, второго фазовращателя, третьей линии задержки, восьмого и девятого перемножителей, второго функционального преобразователя и третьего управителя, причем вход автокорреляционного частотного дискриминатора подключен через пятый фильтр нижних частот, к выходу которого параллельно подключены входы второго фазовращателя, третьей линии задержки и первый вход девятого перемножителя, к выходу третьей линии задержки параллельно подключены вторые входы восьмого и девятого перемножителей, к выходу второго фазовращателя подключен первый вход восьмого перемножителя, выход которого через каскадно включенный шестой фильтр нижних частот подключен к первому входу второго функционального преобразователя, выход девятого перемножителя через каскадно подключенный седьмой фильтр нижних частот подключен ко второму входу второго функционального преобразователя, выход которого через каскадно включенный третий управитель подключен к выходу автокорреляционного частотного дискриминатора и далее подается на третий вход второго сумматора, который включен в разрыв между первым управителем и управляемым генератором.
На фигуре приведена функциональная схема заявленного устройства для демодуляции (УД).
1
1
4
1
3
1
3
1
5
1
2
6
1
4
2
2
7
2
2
2
1
5
2
3
8
9
6
7
2
3
В заявленном УД: 1 - первый перемножитель П; 2 - первый фильтр нижних частот ФНЧ; 3 - четвертый перемножитель П; 4 - первый сумматор Cyм; 5 - третий фильтр нижних частот ФНЧ; 6 - первый фазовращатель Фв; 7 - третий перемножитель П; 8 - петлевой фильтр ПтФ; 9 - первая линия задержки ЛЗ; 10 - пятый перемножитель П; 11 - первый функциональный преобразователь ФП; 12 - вторая линия задержки ЛЗ; 13 - шестой перемножитель П; 14 - первый вычитатель Выч; 15 - четвертый фильтр нижних частот ФНЧ; 16 - второй перемножитель П; 17 - второй фильтр нижних частот ФНЧ; 18 - седьмой перемножитель П; 19 - второй вычитатель Выч; 20 - второй управитель Упр; 21 - управляемый генератор УГ; 22 - второй сумматор Сум; 23 - первый управитель Упр; 24 - решающее устройство РУ; 25 - пятый фильтр нижних частот ФНЧ; 26 - второй фазовращатель Фв; 27 - третья линия задержки ЛЗ; 28, 29 - восьмой и девятый перемножители соответственно П, П; 30, 31 - шестой и седьмой фильтры нижних частот соответственно ФНЧ, ФНЧ; 32 - второй функциональный преобразователь ФП, 33 - третий управитель Упр, 34 - автокорреляционный частотный дискриминатор АЧД.
Принцип действия заявленного устройства состоит в следующем.
На вход УД и первого и второго перемножителей (1) и (16) поступает фазоманипулированный сигнал
ms
s
s
s
0
д
S(t)=UП(t)cos(2πƒt+φ); ƒ=ƒ+ƒ,
П(t)∈[-1; +1],
ms
s
s
где U, ƒ, φ - амплитуда, частота, начальная фаза сигнала S(t);
0
ƒ - частота излучения;
д
ƒ - доплеровское смещение частоты;
э
П(t) - манипулирующая функция, представляющая собой последовательность положительных и отрицательных прямоугольных импульсов с единичной амплитудой и длительностью Т.
На вторые входы первого и второго перемножителей (1) и (16) с выхода УГ (21) поступают напряжения
гс
г
г
г
г
0
U(t)=Ucos(2πƒt+φ); ƒ≈ƒ,
гs
s
г
г
U(t)=Usin(2πƒt+φ),
г
г
г
где U, ƒ, φ - амплитуда, частота, начальная фаза напряжения УГ (21) на момент приема сигнала.
После прохождения сигнала через квадратурные каналы УД на входах третьего перемножителя (7) имеем процессы
;
;
s
г
Δƒ→ƒд; Δφ=φ-φ;
Ф1
Ф1
Ф1
h(t)=2ƒsinc(πΔƒt); ,
Ф1
1
2
Ф1
где h(t) - импульсная реакция ФНЧ(2), ФНЧ(17) с полосой пропускания Δƒ;
Δƒ - частотное рассогласование;
Δφ - фазовое рассогласование;
1
K - коэффициент передачи в квадратурных каналах.
с
s
3
После прохождения процессов U(t) и U(t) через П(7) и ПтФ(8) получаем напряжение рассогласования
;
Ф2
Ф2
Ф2
Ф2
h(t)=2ƒsinc(πΔƒt); Δƒ≥Δƒ,
Ф2
Ф2
где h(t) - импульсная реакция ПтФ(8) с полосой пропускания Δƒ.
1
p1
Далее через Упр(23) напряжение рассогласования поступает на управляющий вход УГ(21) и поскольку обратная связь замыкается, то в контуре фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) начинается процесс регулирования частоты УГ(21) до входа в синхронизм. Время регулирования частоты T определяется из следующего выражения
З1
; Δƒ=Δƒд,
ш
где Δƒ - шумовая полоса контура ФАПЧ;
д
Δƒ - диапазон априорной неопределенности доплеровского смещения частоты.
д
ш
г
s
p1
3
2
При Δƒ=3·10 Гц и Δƒ=10 Гц ФАПЧ обеспечивает вхождение в синхронизм (Δƒ→ƒ) через T=31,5 с., что при приеме пакетных фазоманипулированных сигналов оказывается не приемлемым.
В заявленном УД с целью уменьшения времени регулирования частоты дополнительно введены решающее устройство (24) и автокорреляционный частотный дискриминатор (34), образующие двухшкальный частотный дискриминатор.
Решающее устройство (24) обеспечивает "грубое" оценивание частотного рассогласования Δƒ, а АЧД (34) обеспечивает "точное" оценивание Δƒ.
При этом после подстройки частота УГ(21) равна , где  и  - "грубая" и "точная" оценки частотного рассогласования.
Автокорреляционная обработка квадратурных составляющих ФМС в РУ(24) состоит из нескольких операций, описываемых следующим образом:
;
;
;
;
лз
э
Δω=2πΔƒ; τ=T,
1
лз
3
лз
2
лз
4
лз
7
6
5
4
где U(t, τ), U(t, τ), U(t, τ), U(t, τ) - напряжения на выходе П(18), П(13), П(10), П(3);
s
7
6
5
4
k - коэффициент передачи перемножителей П(18) П(13), П(10), П(3).
7
6
5
4
1
1
3
4
Полученные выше напряжения после обработки в П(18), П(13), П(10), П(3), Cум(4), Bыч(14) с последующим усреднением в ФНЧ(5) и ФНЧ(15) приобретают следующий вид:
;
,
5
1
э
6
1
э
3
4
где U(T,T), U(T,T) - напряжения на выходах ФНЧ(5) и ФНЧ(15);
1
3
4
T - постоянная интегрирования ФНЧ(5) и ФНЧ(15).
2
Напряжение на выходе Выч(19) имеет вид
5
1
э
6
1
э
1
2
8
1
После преобразования напряжений U(T,T) и U(T,T) в функциональном преобразователе ФП(11) получаем на выходе Упр(20) напряжение U(T) пропорциональное "грубой" оценке частотного рассогласования
2
2
В Упр(20) формируется "грубая" оценка частотного рассогласования , которая подается на Сум(22) и затем на УГ(21).
7
1
э
5
На вход АЧД (34) U(T,T) поступает через ФНЧ(25), импульсная характеристика которого имеет вид
Ф3
Ф3
Ф3
Ф3
д
h(t)=2ƒsinc(πΔƒt); Δƒ≥Δƒ,
Ф3
5
где Δƒ - полоса пропускания ФНЧ(25).
7
1
э
Обработка напряжения U(T,T) осуществляется в соответствии со следующим алгоритмом
; ;
;
;
2
2
; Δω=2πΔƒ,
9
2
2
где U(T) - напряжение пропорциональное удвоенной "точной" оценке частотного рассогласования на выходе ФП(32);
sa
2
лз2
ca
2
лз2
6
7
U(T,τ) и U(T,τ) - напряжение квадратурных составляющих на выходах ФНЧ(30) и ФНЧ(31);
2
6
7
T - постоянная интегрирования ФНЧ(30) и ФНЧ(31);
7s
7c
8
9
U(t) и U(t) - напряжения на входе П(28) и П(29);
4
8
9
K - коэффициент передачи перемножителей П(28) и П(29);
лз2
3
τ - временной сдвиг, вносимый ЛЗ(27);
2
Δƒ - частотное рассогласование в АЧД (34).
3
2
В Упр(33) формируется "точная" оценка частотного рассогласования  которая подается на Cум(22) и затем на УГ(21).
Среднеквадратичные погрешности оценивания частоты в РУ(24) и АЧД(34) могут быть рассчитаны из следующих соотношений
; ; ; ;
од
1
дов
; ; Δƒ=4σƒ, при P=0,95;
; ,
1
2
где σƒ и σƒ - среднеквадратичные погрешности оценивания частотного рассогласования в РУ(24) и АЧД(34);
BX
g - входное отношение сигнал-шум по напряжению на входе УД;
д
1
2
g - отношение сигнал-шум по напряжению на выходах ФНЧ(2) и ФНЧ(17);
1
2
1
2
g, g - отношение сигнал-помеха на выходах ФП(11) и ФП(32);
од
Δƒ - диапазон однозначного оценивания частоты в АЧД(34);
a
5
g - отношение сигнал-помеха по напряжению на выходе ФНЧ(25);
дов
P - доверительная вероятность.
Время регулирования частоты УГ(21) в заявленном УД равно
p2
1
2
ФАПЧ
T=T+T+T; ,
ФАПЧ
где Т - время регулирования в ФАПЧ, соответствующей по структуре прототипу.
д
ш
э
д
ош
3
2
-6
-6
Определим время регулирования частоты УГ(21) при Δƒ=3·10 Гц, Δƒ=10 Гц, T=10 с, g=3,3, что обеспечивает вероятность ошибочных решений в УД P=10.
1
1
2
2
дов
зах2
2
ФАПЧ
р2
2
-2
-4
2
-2
-2
Для обеспечения σƒ=10 Гц необходимо иметь T=2,45·10 с, для обеспечения σƒ=25 Гц достаточно иметь T=1,5·10. Поскольку при этом полоса захвата ФАПЧ определяется при P=0,94 Δƒ=4σƒ и равна 10 Гц, то с учетом этого получается Т=5·10 с, а общее время регулирования частоты составит Т=7,5·10с.
Полученные результаты показывают, что заявленное УД обеспечивает уменьшение времени регулирования частотного рассогласования УГ(21) в 420 раз.
Кроме того следует отметить, обработка процессов в РУ(24) и АЧД(34) осуществляется в области видеочастот, что позволяет существенно снизить частоту дискретизации при переходе на цифровую элементную базу и улучшить эксплуатационные характеристики (масса, габариты, энергопотребление) по сравнению с реализацией УД на аналоговой элементной базе.
Таким образом реализация устройства для демодуляции ФМС не вызывает затруднений. Представленная схема на фигуре и подробное описание принципа действия каждого блока, реализация которых возможна на типовых функциональных узлах с использованием современной элементной базы, позволяет изготовить устройство для демодуляции ФМС промышленным способом по своему назначению, что характеризует полезную модель как промышленно применимую.