МОДУЛЯТОР ДИСКРЕТНОГО СИГНАЛА ПО ВРЕМЕННОМУ ПОЛОЖЕНИЮ
MODULATOR OF DISCRETE SIGNAL BY TIME POSITION

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для формирования дискретных сигналов, модулированных по временному положению, в системах связи и телеуправления.
Известен модулятор, содержащий квантователь, запоминающее устройство, устройство сравнения, интегратор, источник отрицательного напряжения, генератор тактовых импульсов, первый делитель частоты, ключ, второй делитель частоты, сумматор и генератор функций Уолша (см. Хармут Х.Ф. Передача информации ортогональными функциями. - М.: Связь, 1975, стр. 132, рис. 3.27).
Однако, выходные сигналы, формируемые этим устройством, имеют низкую помехоустойчивость, так как обладают плохими корреляционными свойствами - амплитуды боковых пиков автокорреляционных функций этих сигналов близки к значению 1.
Известен также модулятор дискретного сигнала по временному положению, содержащий квантователь, запоминающий блок, ключ, сумматор, генератор функций Уолша, блок сравнения, интегратор, источник отрицательного напряжения, генератор тактовых импульсов, первый и второй делители частоты, генератор прямоугольных колебаний, счетчик, коммутатор, и умножитель, причем квантователь, запоминающий блок, ключ, сумматор, генератор функций Уолша соединены последовательно, первый вход квантователя является входом модулятора, выход запоминающего блока соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом интегратора, первый вход которого соединен с выходом источника отрицательного напряжения, а выход блока сравнения соединен с вторыми входами запоминающего блока и интегратора, второй вход ключа соединен с выходом генератора тактовых импульсов и входом первого делителя частоты, выход которого соединен с вторым входом сумматора и входом второго делителя частоты, выход которого соединен с установочным входом квантователя, с вторым входом счетчика и третьим входом интегратора, выход сумматора соединен с входом генератора прямоугольных колебаний и первым входом счетчика, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами коммутатора, третий вход которого соединен с выходом источника отрицательного напряжения, выход генератора функций Уолша соединен с первым входом умножителя, второй вход которого соединен с выходом коммутатора, выход умножителя является выходом модулятора (см. авторское свидетельство СССР на изобретение №1800641, кл. H04L 27/12 от 23.08.90, опубликовано в бюллетене №9 от 07.03.93).
Однако, выходные сигналы, формируемые этим модулятором, имеют низкую помехоустойчивость, так как обладают плохими корреляционными свойствами - большими амплитудами боковых пиков автокорреляционных функций этих сигналов.
n
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является модулятор дискретного сигнала по временному положению, содержащий квантователь, запоминающий блок, ключ, сумматор, генератор функций Уодша, блок сравнения, интегратор, источник отрицательного напряжения, генератор тактовых импульсов, первый и второй делители частоты, генератор прямоугольных колебаний, счетчик, коммутатор, умножитель, вход начальной установки модулятора и n-разрядный регистр памяти (где 2 - число функций, формируемых генератором функций Уолша), причем квантователь, запоминающий блок, ключ, сумматор, генератор функций Уолша соединены последовательно, первый вход квантователя является входом модулятора, выход запоминающего блока соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом интегратора, первый вход которого соединен с выходом источника отрицательного напряжения, а выход блока сравнения соединен с вторыми входами запоминающего блока и интегратора, второй вход ключа соединен с выходом генератора тактовых импульсов и входом первого делителя частоты, выход которого соединен с вторым входом сумматора и входом второго делителя частоты, выход которого соединен с установочным входом квантователя, вторым входом счетчика и третьим входом интегратора, выход сумматора соединен с входом генератора прямоугольных колебаний и первым входом счетчика, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами коммутатора, третий вход которого соединен с выходом источника отрицательного напряжения, выход генератора функций Уолша соединен с первым входом умножителя, второй вход которого соединен с выходом коммутатора, выход умножителя является выходом модулятора, выход второго делителя частоты соединен с входом разрешения выдачи хранимого кода регистра памяти, выходы разрядов регистра памяти подключены к одноименным входам разрядов счетчика, вход начальной установки модулятора подключен к установочному входу квантователя, второму входу счетчика, третьему входу интегратора и входу разрешения выдачи хранимого кода регистра памяти (см. патент на изобретение №2393640 по заявке №2008149993/09 от 17.12.2008, кл. H04L 27/12, опубликован в бюллетене №18 от 27.06.2010).
Целью изобретения является повышение помехоустойчивости выходных сигналов путем уменьшения амплитуды боковых пиков их автокорреляционных функций.
n
n
n
n-1
n
n
n
n
n
n-1
n
n-1
n-1
n
n
n
Поставленная цель достигается тем, что в известный модулятор дискретного сигнала по временному положению, содержащий квантователь, запоминающий блок, ключ, сумматор, блок сравнения, интегратор, источник отрицательного напряжения, генератор тактовых импульсов, первый и второй делители частоты, умножитель, вход начальной установки модулятора и n-разрядный регистр памяти (где 2 - число функций в модулируемой системе дискретных ортогональных сигналов), причем квантователь, запоминающий блок, ключ, сумматор соединены последовательно, первый вход квантователя является входом модулятора, выход запоминающего блока соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом интегратора, первый вход которого соединен с выходом источника отрицательного напряжения, а выход блока сравнения соединен с вторыми входами запоминающего блока и интегратора, второй вход ключа соединен с выходом генератора тактовых импульсов и входом первого делителя частоты, выход которого соединен с вторым входом сумматора и входом второго делителя частоты, выход которого соединен с установочным входом квантователя и третьим входом интегратора, выход умножителя является выходом модулятора, выход второго делителя частоты соединен с входом разрешения выдачи хранимого кода регистра памяти, вход начальной установки модулятора подключен к установочному входу квантователя, третьему входу интегратора и входу разрешения выдачи хранимого кода регистра памяти, введены 2 - канальный генератор функций Уолша, 2 - входовый коммутатор, 2 - разрядный циклический регистр сдвига, нуль-орган, триггер, первый дополнительный ключ, второй дополнительный ключ, дополнительный двухвходовый сумматор, управляемый инвертор, причем выходы 2 - канального генератора функций Уолша соединены с одноименными информационными входами 2 - входового коммутатора, выходы разрядов n-разрядного регистра памяти подключены к одноименным входам управления 2 - входового коммутатора, выход 2 - входового коммутатора соединен с первым входом умножителя, второй вход которого соединен с выходом управляемого инвертора, выход сумматора соединен с тактовым входом 2 - канального генератора функций Уолша и тактовым входом 2 - разрядного циклического регистра сдвига, второй выход 2 - канального генератора функций Уолша подключен к входу нуль-органа, выход которого соединен с счетным входом триггера, прямой выход которого подключен к управляющему входу первого дополнительного ключа, инверсный выход триггера подключен к управляющему входу второго дополнительного ключа, выходы первого и второго дополнительных ключей соединены с соответствующими информационными входами дополнительного двухвходового сумматора, выход дополнительного двухвходового сумматора подключен к информационному входу управляемого инвертора, управляющий вход которого соединен с выходом старшего разряда 2 - разрядного циклического регистра сдвига, (2 - 2) - й выход 2 - канального генератора функций Уолша подключен к информационному входу первого дополнительного ключа, (2 - 4) - й выход 2 - канального генератора функций Уолша подключен к информационному входу второго дополнительного ключа.
n
На фиг. 1 представлена структурная схема модулятора дискретного сигнала по временному положению, на фиг. 2 - временные диаграммы функций Уолша на выходах 2 - канального генератора функций Уолша, на фиг. 3 - временные диаграммы системы сигналов S(i, θ), формируемых в предлагаемом модуляторе, на фиг. 4 - временные диаграммы, иллюстрирующие процесс формирования функции S(10, θ) в предлагаемом модуляторе, на фиг. 5 и на фиг. 6 - вид автокорреляционных функций ансамбля дискретных ортогональных сигналов S(i, θ) в предлагаемом модуляторе, на фиг. 7 - процесс формирования выходного сигнала в предлагаемом модуляторе в случае сдвига функции по временному положению на один элемент и в случае сдвига функции по временному положению на три элемента.
n
n
n-1
Модулятор дискретного сигнала по временному положению содержит источник 1 отрицательного напряжения, интегратор 2, блок 3 сравнения, квантователь 4, запоминающий блок 5, генератор 6 тактовых импульсов, первый делитель 7 частоты, сумматор 8, ключ 9, второй делитель 10 частоты, 2 - канальный генератор И функций Уолша, вход 12 начальной установки модулятора, n-разрядный регистр 13 памяти, умножитель 14, 2 - входовый коммутатор 15, нуль-орган 16, триггер 17, первый дополнительный ключ 18, второй дополнительный ключ 19, дополнительный двухвходовый сумматор 20, 2 - разрядный циклический регистр сдвига 21, управляемый инвертор 22.
Модулятор дискретного сигнала по временному положению работает следующим образом.
n
n
n-1
n-1
До начала работы модулятора в n-разрядном регистре 13 памяти (где 2 - число выходов генератора 11 функций Уолша), записан порядковый номер функции Уолша, которая будет формироваться на выходе 2 - входового коммутатора 15 в течение всех сеансов модуляции. Например, при использовании для формирования в модуляторе сигнала S(10, θ), потребуется функция Уолша  во всех сеансах модуляции, что предполагает наличие в n-разрядном регистре 13 памяти двоичного кода «1 0 1 0», представляющего десятичное число 10. При этом в (2 - 3) - м разряде 2 - разрядного циклического регистра 21 сдвига записана единица, триггер 17 находится в исходном единичном состоянии.
n
Перед началом работы модулятора на вход 12 начальной установки модулятора подается импульс, поступающий на вход разрешения выдачи хранимого кода регистра 13 памяти. Поскольку информационные выходы разрядов регистра 13 памяти подключены к соответствующим управляющим входам 2 - входового коммутатора 15, на выходе его в течение всех сеансов модуляции формируется соответствующая функция Уолша, например, .
В начальный момент времени напряжение на выходе квантователя 4 равно нулю, следовательно, на выходе запоминающего блока 5 оно также равно нулю. Напряжение на выходе интегратора 2 в начальный момент времени тоже равно нулю. Поскольку на входы блока 3 сравнения поступают одинаковые напряжения, равные нулю, на выходе блока 3 сравнения вырабатывается импульс, устанавливающий интегратор 2 и запоминающий блок 5 в начальное состояние.
n
Входной модулирующий сигнал (фиг. 7, а) поступает на вход квантователя 4, который периодически производит отсчеты значений входного сигнала в моменты времени 0, θ, 2θ, … , и производит их квантование. Число уровней квантования равно числу элементов функций Уолша (для рассматриваемого случая пусть 2=16) (фиг. 7, б). Полученные напряжения запоминаются на определенные промежутки времени в запоминающем блоке 5 (фиг. 7, в).
На выходе интегратора 2 получается положительное пилообразное напряжение (фиг. 7, г). Блок 3 сравнения напряжений вырабатывает импульс в тот момент времени, когда пилообразное напряжение достигает величины напряжения на выходе запоминающего блока 5 (фиг. 7, д). Этот импульс приводит в начальное состояние схему запоминающего блока 5 и интегратора 2. На выходе запоминающего блока 5 формируются положительные импульсы, длительность которых пропорциональна значению квантованного напряжения (фиг. 7, в). При поступлении этих импульсов на первый (управляющий) вход ключа 9, ключ оказывается открытым, а импульсы от генератора 6 тактовых импульсов (фиг. 7, е) оказываются на выходе ключа 9 (фиг. 7, з).
n
n
Делитель 7 частоты образует из последовательности импульсов с выхода генератора 6 тактовых импульсов последовательность импульсов, имеющую гораздо больший период (фиг. 7, ж). Эта последовательность импульсов идет через сумматор 8 на тактовый вход 2 - канального генератора 11 функций Уолша, генерирующего в течение всех сеансов модуляции определенную функцию Уолша, например, Wal(3, θ). Импульсы с выхода ключа 9 через сумматор 8 добавляются к импульсам с выхода делителя 7 частоты сразу после моментов времени 0, θ, 2θ, … Так как период импульсов с выхода ключа 8 значительно меньше, чем период импульсов с выхода делителя 7 частоты, то на выходе 2 - канального генератора 11 функций Уолша формируется функция Уолша, промодулированная по фазе. Причем фазовый сдвиг пропорционален значению квантованного напряжения входного сигнала, получаемого на выходе квантователя 4. Например, если значение квантованного напряжения равно 0, то фазовый сдвиг равен 0. Если значение квантованного напряжения равно 1, то фазовый сдвиг осуществляется на один элемент функции Уолша. Если значение квантованного напряжения равно 2, то фазовый сдвиг осуществляется на 2 элемента функции Уолша и так далее. Точно так же осуществляется и фазовый сдвиг сигнала S(i, θ) на выходе модулятора, при этом (фиг. 7, к) в первом случае на рисунке показан сдвиг на один элемент  втором случае - сдвиг на три элемента
n
Рассмотрим более подробно процесс формирования сигналов S(i, θ) в предлагаемом модуляторе на примере функции S(10, θ) для случая 2=16. Для упрощения будем считать, что в рассматриваемом случае задержка по времени или фазовый сдвиг равен 0.
n
n-1
С началом поступления импульсов с выхода сумматора 8 (фиг. 4, а) на тактовый вход 2 - канального генератора 11 функций Уолша, генерирующего в течение всех сеансов модуляции определенную функцию Уолша (в данном случае  ), тактовые импульсы поступают также на тактовый вход 2 - разрядного циклического регистра 21 сдвига.
Потенциалы с прямого и инверсного выходов триггера 17 поступают на управляющие входы дополнительных ключей 18 и 19. Таким образом, первый дополнительный ключ 18 открыт, а второй дополнительный ключ 19 закрыт.
Подробное описание устройства триггера 17, являющегося обычным Т-триггером, представлено в известном источнике (см. Основы дискретной техники АСУ и связи. Под общей редакцией Гриненко Г.Ф. - Л.: ВИКИ им. А.Ф. Можайского, 1980, с. 240, рис. 6.22, рис. 6.23).
n-1
n
n
В процессе формирования сигналов S(i, θ) функция Уолша  (фиг. 4, в) с (2 - 2) - го выхода 2 - канального генератора 11 функций Уолша (то есть, для случая 2 = 16 с шестого выхода блока 5 формирования функций Уолша) через открытый дополнительный ключ 18 (фиг. 4, д) поступает на первый вход дополнительного двухвходового сумматора 20, а с его выхода - на информационный вход управляемого инвертора 22.
n
В момент смены знака функции Уолша  (фиг. 4, б), формируемой на втором выходе 2 - канального генератора 11 функций Уолша, срабатывает нуль-орган 16. Он вырабатывает импульсы в моменты смены значащей позиции функции , при переходе от -1 к +1 или при переходе от +1 к -1. Импульсы с выхода нуль-органа 16 изменяют состояние триггера 17, а следовательно, и состояние дополнительных ключей 18 и 19.
Нуль-орган 16 формирует на своем выходе короткий импульс в моменты времени, когда сигнал на его входе меняет знак с «+» на «-» или с «-» на «+», что в данном случае происходит в середине периода Т - периода определения функций Уолша.
Подробное описание устройства нуль-органа 16 представлено в известном источнике (см. Основы дискретной техники АСУ и связи. Под общей редакцией Гриненко Г.Ф. - Л.: ВИКИ им. А.Ф. Можайского, 1980, с. 209-215).
n
n
n
n
Импульс, поступающий с выхода нуль-органа 16 приводит к тому, что ключ 18 оказывается закрытым, а ключ 19 открытым, и функция Уолша  (фиг. 4, г) с (2 - 4)-го выхода 2 - канального генератора 11 функций Уолша (то есть, для случая 2 = 16 с двенадцатого выхода 2 - канального генератора 11 функций Уолша) через открытый ключ 19 (фиг. 4, е) поступает на второй вход дополнительного двухвходового сумматора 20, а с его выхода - на информационный вход управляемого инвертора 22.
На выходе дополнительного двухвходового сумматора 20 формируется сигнал, представленный на фиг. 4 ж.
n-1
n-1
n-1
n-1
n-1
n-1
С поступлением третьего тактового импульса с выхода сумматора 8 на тактовый вход 2 - разрядного циклического регистра 21 сдвига, на выходе старшего разряда 2 - разрядного циклического регистра 21 сдвига формируется единица (фиг. 4, з), которая была записана в (2 - 3) - м разряде. Эта единица поступает на управляющий вход управляемого инвертора 22, вследствие чего третий элемент сигнала, формируемого на выходе дополнительного двухвходового сумматора 20 и поступающего на информационный вход управляемого инвертора 22, оказывается инвертированным. Поскольку 2 - разрядный циклический регистр 21 сдвига замкнут в кольцо цепью обратной связи и имеет 2 - разрядов, то с указанного момента времени через 2 тактов работы на выходе регистра 21 сдвига опять сформируется единица (фиг. 4, з), и соответствующий элемент сигнала, поступающего с выхода дополнительного двухвходового сумматора 20 на информационный вход управляемого инвертора 22, также окажется инвертированным.
Сигнал на выходе управляемого инвертора 22 (фиг. 4, и) представляет собой видоизменяющую (то есть производящую) последовательность, которая описывается следующим образом:
Сигнал, формируемый на выходе управляемого инвертора 22, умножается в умножителе 14 на функцию Уоша  В результате этого на выходе умножителя 14 формируется дискретная ортогональная функция S(10, θ).
Функции S(i, θ), имеют вид, отличающийся от вида функций Уолша
На фиг. 4 приведены диаграммы, иллюстрирующие процесс формирования в предлагаемом модуляторе дискретной ортогональной функции S(10, θ).
На диаграммах указано временное состояние:
а) выхода сумматора 8, на котором формируются тактовые импульсы;
n
б) второго выхода 2 - канального генератора 11 функций Уолша, на котором формируется функция
n
в) шестого выхода 2 - канального генератора 11 функций Уолша, на котором формируется функция
n
г) двенадцатого выхода 2 - канального генератора 11 функций Уолша, на котором формируется функция
д) выхода первого дополнительного ключа 18;
е) выхода второго дополнительного ключа 19;
ж) выхода дополнительного двухвходового сумматора 20;
n-1
з) выхода старшего разряда 2 - разрядного циклического регистра 21 сдвига;
и) выхода управляемого инвертора 22;
n
й) одиннадцатого выхода 2 - канального генератора 11 функций Уолша, на котором формируется функция
к) выхода умножителя 14, на котором формируется функция S(10, θ).
Сигнал с выхода управляемого инвертора 22 поступает на вход умножителя 14 и умножается на функцию Уолша. На выходе умножителя 14 формируется сигнал, модулированный по временному положению.
Период следования импульсов с выхода генератора 6 тактовых импульсов можно выбрать таким малым по сравнению с длительностью элементов функций Уолша, что короткими элементами у сигналов  и на фиг. 7, к можно пренебречь (на рисунке они показаны только для объяснения механизма осуществления фазового сдвига функций Уолша и фазового сдвига выходного сигнала).
Система выходных сигналов S(i, θ), формируемых предлагаемым модулятором, как и система выходных сигналов Р(i, θ), формируемых прототипом, является ортогональной, в чем легко убедиться путем перемножения любых сигналов системы и интегрирования результата перемножения в течение периода времени Т.
Поскольку работа демодулирующей схемы основана на тех же принципах, что и схема модулятора, в состав демодулирующей схемы обязательно входят корреляторы или согласованные фильтры (см. Хармут Х.Ф. Передача информации ортогональными функциями. - М.: Связь, 1975, стр. 133).
Это обусловливает высокие требования к помехоустойчивости выходных сигналов модулятора, а, следовательно, к автокорреляционной функции выходного сигнала.
Известно, что автокорреляционная функция сигнала S(t) определяется выражением:
где τ - величина временного сдвига сигнала.
Из выражения (1) видно, что R(τ) характеризует степень связи (корре-ляции) сигнала S(t) с его копией, сдвинутой на величину τ по оси времени.
Ясно, что функция R(τ) достигает максимума при τ=0, так как любой сигнал полностью коррелирован с самим собой.
При этом:
то есть максимальное значение автокорреляционной функции равно энергии сигнала (см. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Советское радио, 1971, стр. 68).
0
0
0
0
Для случая сигналов, пронормированных по энергии с учетом Е=1 автокорреляционная функция сигнала состоит из центрального пика с амплитудой 1, размещенного на интервале (-τ, τ) и боковых пиков, распределенных на интервалах (-Т,-τ) и (τ, Т). Амплитуды боковых пиков принимают различные значения, но у сигналов с хорошими корреляционными свойствами они малы, то есть существенно меньше амплитуды центрального пика, равной 1 (см. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985, стр. 30).
Легко проверить, что поскольку в предлагаемом модуляторе при временном сдвиге часть функции (то есть выходного сигнала), которая выдается за пределы начала периода из-за сдвига, добавляется с другой стороны функции (то есть выходного сигнала) (см. Хармут Х.Ф. Передача информации ортогональными функциями. - М: Связь, 1975, стр. 131), то значения амплитуд боковых пиков автокорреляционных функций сигналов со временным сдвигом не изменяются, а изменяется только расположение боковых пиков относительно основного пика.
Сигналы, обладающие меньшими по амплитуде боковыми пиками автокорреляционных функций являются более помехоустойчивыми.
Значения боковых пиков функции автокорреляции, которые обычно меньше основного, зависят от реально используемой кодовой последовательности (в нашем случае - сигнала на выходе модулятора) и являются следствием частичной корреляции кодовой последовательности с той же кодовой последовательностью, сдвинутой во времени. При возникновении таких боковых пиков функции корреляции способность приемника (в нашем случае - демодулирующего устройства) к установлению надежной синхронизации ухудшается, так как в этом случае он должен различать основной и максимальный боковой пики функции корреляции (см. Диксон Р.К. Широкополосные системы. - М.: Связь, 1979, стр. 67).
Функция автокорреляции представляет наибольший интерес при выборе кодовых последовательностей для получения наименьшей вероятности установления ложной синхронизации (см. Диксон Р.К. Широкополосные системы. - М.: Связь, 1979, стр. 64).
Корреляционные свойства кодовой последовательности (выходного сигнала) характеризует показатель различимости (ПР), определяемый как разность значений функции автокорреляции, соответствующих основному и максимальному боковому пикам. Очевидно, чем больше ПР, тем лучше кодовая последовательность (выходной сигнал модулятора) (см. Диксон Р.К. Широкополосные системы. - М.: Связь, 1979, стр. 65, а также стр. 66, рис. 3.11), тем выше помехоустойчивость модулятора, формирующего этот выходной сигнал.
Предлагаемые сигналы S(i, θ) имеют значительно лучшие по сравнению с прототипом автокорреляционные функции и показатели различимости (ПР), повышающие помехоустойчивость выходных сигналов.
Для выходных сигналов, формируемых генератором функций Уолша, прототипом и предлагаемым модулятором были рассчитаны автокорреляционные функции и показатели различимости (ПР).
n
Результаты расчетов для случая 2=16 представлены в таблице 1.
По результатам, представленным в таблице 1, видно, что предлагаемый модулятор дискретного сигнала по временному положению формирует выходные сигналы S(i, θ), у которых показатель различимости (ПР) больше,
чем в модуляторе с использованием функций Уолша  на 87,5% и больше, чем в прототипе, использующем функции Р(i, θ), на 25%.
Использование изобретения позволяет создавать модуляторы дискретного сигнала по временному положению, формирующие выходные сигналы S(i, θ), обладающие более высокой помехоустойчивостью за счет улучшения корреляционных свойств выходных сигналов посредством уменьшения амплитуды боковых пиков автокорреляционных функций этих сигналов.