СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА СИГНАЛОВ С АБСОЛЮТНОЙ ФАЗОВОЙ МАНИПУЛЯЦИЕЙ НА 180° И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF TRANSMITTING AND RECEIVING SIGNALS WITH ABSOLUTE PHASE-SHIFT KEYING BY 180° DEGREES AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к области передачи и приема радиосигналов.
Известны способы и устройства передачи и приема сигналов с абсолютной фазовой манипуляцией на 180 градусов, описанные в различных источниках, например, в:
1.Петрович Н.Т. Передача дискретной информации в каналах с фазовой манипуляцией. - М.: Сов. радио, 1965.
2. Окунев Ю.Б. Цифровая передача информации фазомодулированными сигналами. - М.: Радио и связь, 1991.
3. Патент РФ на изобретение №2269207. Приемник сигналов с абсолютной фазовой манипуляцией на угол 140≤2φ≤160 / А.А.Волков и др. Приоритет от 23.12.2005.
По технической сущности наиболее близкими к изобретению являются способ и устройство, описанные в первом источнике, которые по этой причине и принимаются за прототип изобретения. В остальных источниках описаны аналоги изобретения.
Прототип-способ на передающей стороне включает в себя перемножение знакопеременного цифрового сигнала (ЦС) с гармоническим колебанием несущей частоты, формируя тем самым сигнал с абсолютной фазовой манипуляцией (ФМн) на 180 градусов, который передается на приемную сторону, а на приемной стороне входной сигнал с абсолютной ФМн на 180 градусов перемножается с колебанием несущей частоты, сформированным из входного сигнала одним из известных способов, с последующей низкочастотной (н.ч.) фильтрацией этого произведения.
Прототип-устройство состоит на передающей стороне из источника однополярного цифрового сигнала, элемента устранения постоянной составляющей ЦС, преобразующего его в разнополярный, перемножителя сигналов, генератора колебания несущей частоты, подключенного к высокочастотному (в.ч.) входу перемножителя, к н.ч. входу которого подключен источник ЦС через элемент устранения постоянной составляющей ЦС, а на приемной стороне он состоит из перемножителя сигналов с фильтром нижних частот (ФНЧ) на его выходе, формирователя опорного колебания - колебания несущей частоты, подключенного между информационным и опорным входами перемножителя. Однако полученное из входного сигнала опорное колебание подвержено спонтанным скачкам его фазы на 180 градусов, отчего единицы ЦС воспринимаются нулями, а нули - единицами, т.е. наоборот. Поэтому данное явление получило название обратной работы когерентного детектора, которое полностью нарушает связь. По этой причине абсолютная ФМн на 180 градусов, обеспечивающая теоретически максимально возможную (потенциальную) помехоустойчивость, на практике не используется. Для устранения обратной работы предлагались различные способы передачи и приема таких сигналов, которые описаны в аналогах [2, 3]. Основным таким способом - аналогом является способ относительной ФМн (ОФМн) на 180 градусов, который нашел применение на практике. В этом случае код однополярного ЦС на передающей стороне преобразуется в относительный код, который далее подвергается тем же операциям, что и исходный код в прототипе. При ОФМн каждый элемент ЦС передается с помощью двух посылок ОФМн: при передаче единицы фаза данной посылки меняется на 180 градусов по отношению к фазе предыдущей посылки, а при передаче нуля - не меняется. Поэтому для передачи первого элемента ЦС перед началом сеанса связи передается посылка - отрезок колебания несущей частоты с нулевой начальной фазой, которую называют отсчетной. Прием сигналов с ОФМн может осуществляться методом сравнения полярностей, что чаще всего и используется, и методом сравнения фаз. Метод сравнения полярностей отличается от метода приема сигналов с абсолютной ФМн только перекодировкой выходного цифрового сигнала из относительного в исходный код. При приеме сигналов с ОФМн по методу сравнения фаз опорным колебанием для данной посылки является предыдущая посылка, которая задерживается на ее временной интервал, перемножается с данной и фильтруется по н.ч. Однако вероятность ошибки приема сигналов с ОФМн в 2 раза больше, чем при абсолютной ФМн, а при приеме по методу сравнения полярностей не полностью устраняется обратная работа. В других аналогах, например в [3], борьба с обратной работой ведется путем введения избыточности в ФМн сигнал: передачей остатка колебания несущей частоты, манипуляции фазы на угол, меньший 180 градусов и др., что снижает помехоустойчивость приема.
Основным недостатком прототипа является наличие обратной работы детектора сигналов с абсолютной ФМн на 180 градусов, а использование вместо нее ОФМн увеличивает вероятность ошибки приема в 2 раза.
Техническим результатом изобретения является уменьшение в 2 раза вероятности ошибки приема ЦС за счет исключения обратной работы детектора сигналов с абсолютной ФМн на 180 градусов и возможности использования ее на практике.
Сущность изобретения состоит в том, что в способ передачи и приема радиосигналов с абсолютной ФМн на 180 градусов, формируемых на передающей стороне путем перемножения знакопеременного ЦС и колебания несущей частоты и демодулируемых на приемной стороне, введены на передающей стороне дополнительная операция формирования предварительной посылки, представляющей собой отрезок колебания несущей частоты с нулевой начальной фазой и длительностью элемента ЦС, за которой непосредственно передают сигнал с абсолютной ФМн на 180 градусов, а на приемной стороне их задерживают по времени на ее длительность элементарной посылки, после чего фазоинвертируют и перемножают с сигналом с абсолютной ФМн на 180 градусов, и полученный от перемножения ЦС с относительным кодом отфильтровывается по низкой частоте от других частотных составляющих, а затем его относительный код преобразуется в исходный путем суммирования по модулю 2 ЦС с относительным кодом и суммарного ЦС, задержанного по времени на длительность элементарной посылки.
В устройстве же для осуществления способа, состоящем на передающей стороне из последовательно соединенных источника однополярного ЦС, элемента устранения его постоянной составляющей, перемножителя сигналов, формирующего сигнал с абсолютной ФМн на 180 градусов, генератора колебания несущей частоты, подключенного к в.ч. входу перемножителя, а на приемной стороне - из перемножителя сигналов с ФНЧ на его выходе, введены на передающей стороне блок задержки на длительность элемента ЦС, коммутатор сигналов, двухполупериодный выпрямитель с активной нагрузкой, цифровой инвертор, делитель уровня сигнала, причем, к н.ч. входу перемножителя сигналов подключен источник ЦС через последовательно соединенные блок задержки по времени ЦС, элемент устранения его постоянной составляющей, один ключ коммутатора; к н.ч. входу перемножителя подключен также источник питания через последовательно соединенные делитель напряжения и другой ключ коммутатора; выход элемента устранения постоянной составляющей ЦС соединен не только со входом своего ключа, но и с управляющим его входом через двухполупериодный выпрямитель, выход которого в свою очередь подключен через цифровой инвертор к управляющему входу ключа в цепи источника питания, а на приемной стороне введены два блок задержки по времени на длительность элементарной посылки ЦС, аналоговый фазоинвертор, сумматор по модулю 2, причем, первый блок задержки подключен своим входом к информационному входу перемножителя, а своим выходом через фазоинвертор - к его опорному входу; к выходу ФНЧ подключен сумматор по модулю 2, выход которого соединен со вторым его входом через второй блок задержки по времени на длительность элементарной посылки ЦС.
Существенным отличием предложенного способа передачи и приема сигналов с абсолютной ФМн на 180 градусов является введение новых операций детектирования таких сигналов, которые потребовали введения и на передающей стороне дополнительной операции - формирования предварительной посылки, которая аналогична отсчетной посылке при ОФМн, но выполняет другую функцию, что следует из нижеприведенной фиг.1. И данное детектирование отличается по содержанию от детектирования сигналов ОФМн по методу сравнения фаз: здесь перемножаются между собой неперекодированные посылки сигнала с абсолютной ФМн на 180 градусов. До изобретенного способа считалось, что детектирование сигнала с абсолютной ФМн на 180 градусов возможно только по опорному сигналу, сформированному по одному из известных методов: Пистолькорса, Сифорова, Агеева, Костаса, когда обратная работа, в принципе, не исключается. Данный способ детектирования принципиально отличается от названных, полностью исключает обратную работу и тем самым позволяет на практике использовать абсолютную ФМн на 180 градусов, обеспечивая потенциальную помехоустойчивость приема.
Предлагаемые объекты изобретения иллюстрируются чертежами.
На фиг.1 представлены временные диаграммы, поясняющие предлагаемый способ передачи и приема сигналов с абсолютной ФМн на 180 градусов, где обозначено:
а - знакопеременный передаваемый цифровой сигнал (ЦС);
б - колебание несущей частоты;
в - предварительная посылка и сигнал с абсолютной ФМн на 180 градусов, полученный в результате перемножения колебаний а и б;
г - колебание в, задержанное на длительность элементарной посылки ЦС;
д - фазоинвертированное колебание г;
е - цифровой сигнал, полученный в результате низкочастотной фильтрации произведения колебаний д и в.
2
Действительно, перемножаются две посылки, изображенные на фиг.1 в виде 1в и 1д - отрезки синусоиды, минимальная длительность которых равна элементу ЦС τ. Посылки имеют одинаковую амплитуду и частоту синусоид, но их фазы могут совпадать между собой или быть противоположными. В этом случае произведение посылок можно представить аналитически как ±(sin ωt sin ωt)=±sinωt=±0,5(1-cos2ωt). После н.ч. фильтрации остается только первое слагаемое ±0,5, что соответствует коду ЦС на фиг.1е, который после относительной перекодировки преобразуется в переданный код фиг.1а. Последнее поясняют нижеприведенные фиг.3, таблице и фиг.4, на которой представлена временная диаграмма выходного сигнала (вых.5, таблица).
На фиг.2 представлена структурная схема устройства, реализующая данный способ на передающей стороне, где обозначено:
1.) источник однополярного цифрового сигнала (ЦС);
2.) блок задержки ЦС на длительность его элементарной посылки;
3.) делитель напряжения;
4.) элемент устранения постоянной составляющей ЦС;
5.) коммутатор;
6.) двухполупериодный выпрямитель с активной нагрузкой;
7.) источник питания;
8.) цифровой инвертор;
9.) перемножитель сигналов;
10.) генератор колебания несущей частоты.
Введенные элементы обведены пунктирной линией.
Работа схемы происходит следующим образом.
В исходном состоянии контакты П и С коммутатора 5 разомкнуты.
При подаче напряжения питания на схему с источника 7 блок 1 начинает выдавать ЦС, который задерживается на длительность его элементарной посылки в блоке 2. Поэтому сразу после включения источника 7 на входе и выходе выпрямителя 6 напряжение равно нулю, на выходе инвертора 8 и управляющем входе контакта П коммутатора 5 оно равно единице. От этого контакт П замыкается на время длительности задержки ЦС в блоке 2 и напряжение питания с блока 7, уменьшенное в блоке 3, через этот контакт поступает на н.ч. вход перемножителя 9, на в.ч. вход которого подается колебание несущей частоты с генератора 10. От этого на выходе блока 9 формируется предварительная посылка (фиг.1 в). По истечении длительности элементарной посылки τ с момента времени t=0 (фиг.1) с выхода блока 2 начинает поступать ЦС на вход блока 4 - конденсатора большой емкости, устраняющего постоянную составляющую и тем самым преобразующего ЦС из однополярного в двухполярный, и далее идет на разомкнутый контакт С и вход двухполупериодного выпрямителя 6. В блоке 6 этот двухполярный ЦС преобразуется в постоянное напряжение положительного знака, которое замыкает ключ С и размыкает ключ П, так как с момента t=0 на его управляющем входе напряжение равно нулю и остается таковым в течение всего сеанса связи. Через ключ С двуполярный ЦС с блока 3 поступает на н.ч. вход перемножителя 9 вместо постоянного напряжения с блока 3, отчего на выходе перемножителя 9 формируется сигнал с абсолютной ФМн на 180 градусов (фиг.1в). Этот сигнал передается на приемную сторону сразу после передачи предварительной посылки.
На фиг.3 представлена структурная схема устройства, реализующего данный способ на приемной стороне, где обозначено:
1 - блок задержки предварительной посылки и сигнала с абсолютной ФМн на 180 градусов на интервал времени, равный длительности элементарной посылки ЦС;
2 - перемножитель сигналов;
3 - аналоговый фазоинвертор;
4 - фильтр нижних частот (ФНЧ);
5 - сумматор ЦС по модулю 2;
6 - блок задержки ЦС на длительность его элемента τ;
Введенные элементы обведены пунктирной линией.
Работа схемы поясняется временными диаграммами фиг.1 и таблицей и осуществляется следующим образом.
Предварительная посылка и сигнал с абсолютной ФМн на 180 градусов, изображенные на фиг.1 в, поступают на один вход перемножителя 2 непосредственно и на другой его вход - через последовательно включенные блок задержки 1 и фазоинвертор 3 (фиг.1д). После перемножения сигнал с выхода блока 2 фильтруется по н.ч. в ФНЧ, на выходе которого имеет место ЦС, изображенный на фиг.1 е. Этот ЦС с блока 4 поступает на один вход сумматора 5 по модулю 2, второй вход которого соединен с его выходом через блок задержки 6 на интервал времени, равный длительности элемента ЦС τ. В сумматоре 5 имеет место преобразование кода ЦС с блока 4 (фиг.1е) в код переданного ЦС (фиг.1а).
Это преобразование поясняется таблицей, где первая строка сверху - это код ЦС с выхода ФНЧ 4 (фиг.1е). Вторая строка формируется следующим образом. Предполагается, что в исходном состоянии на выходе сумматора 5 нулевое значение напряжения, и поэтому первым элементом второй строки является нуль (0), а сумма по модулю 2 первых элементов первых двух строк на выходе блока 5 дает единицу (1): 1+0=1. Эта единица задерживается на время τ и становится вторым элементом второй строки, на что указывает стрелочка в табл. Сумма по модулю 2 вторых элементов обеих строк равна нулю: 1+1=0, который становится третьим элементом второй строки и т.д. В конце концов код ЦС на выходе блока 5 в точности повторяет код переданного ЦС (фиг.1а). Это поясняет и временная диаграмма под таблицей (фиг.4).
Отметим, что в данном демодуляторе (фиг.3) можно исключить в.ч. аналоговый фазоинвертор 3, заменив его на н.ч. цифровой инвертор, включенный или между выходом ФНЧ 4 и входом сумматора 5, или на выходе блока 5. В этом случае информационный и опорный входы перемножителя 2 соединяются между собой только через блок задержки 1.
В способе при исключении аналогового инвертирования исключается и временная диаграмма на фиг.1д, а ЦС на фиг.1е и таблице становятся инвертированными, что исключается введенным цифровым инвертором.
Технико-экономическим эффектом изобретения является принципиально полное исключение обратной работы детектора сигналов с абсолютной ФМн на 180 градусов, что позволяет ее использовать на практике, уменьшая вероятность ошибки приема ЦС в 2 раз по сравнению с ОФМн.