СПОСОБ ИНВЕРСНО-КВАДРАТУРНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ ЧАСТОТЫ ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ ПРОИЗВОЛЬНОЙ КРАТНОСТИ
METHOD OF INVERSE-QUADRATURE RESTORATION OF CARRIER FREQUENCY PHASE-SHIFT KEYED SIGNALS OF ANY FREQUENCY RATE

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при демодуляции фазоманипулированных сигналов со сложной структурой ФМ2, ФМ4, ФМ4С, ФМ8, КАМ16, КАМ32, КАМ64, КАМ128, КАМ256.
Одной из основных операций, выполняемых при демодуляции ФМ сигналов и определяющих качество демодуляции, является операция восстановления несущей частоты.
Известны следующие способы восстановления несущей частоты:
1. Способ возведения в квадрат - умножение самого сигнала на себя (1 - Дж.Спилкер «Цифровая спутниковая связь; М.: Связь, 1979 г.). Данный способ имеет низкую помехозащищенность за счет уменьшения его энергетического потенциала на 6 дБ (1, стр.351), а также за счет автокорреляции при перемножении составляющих, возникающих в тракте передачи и сопровождающих полезный сигнал.
2. Способ синхронного детектирования (2 - патент Японии №52-4902 «Способ синхронного детектирования фазоманипулированных сигналов»). Этот способ предпочтительнее способа возведения в квадрат ввиду его меньшей чувствительности к сдвигам центральной частоты и способности работать в широком диапазоне скоростей входных сигналов. Однако и этот способ имеет существенный недостаток, связанный с тем, что при формировании сигнала ошибок в цепь управления перестраиваемого по частоте генератора проникают информационные составляющие, что приводит к снижению его помехоустойчивости (3 - Э.Д.Виттерби «Принципы когерентной связи», Советское радио, 1973 г.).
3. Способ инверсно-квадратурного восстановления несущей частоты (4 - Патент №2187901 «Способ инверсно-квадратурного восстановления несущей частоты ФМ сигналов»).
Этот способ наиболее эффективен, но обладает недостатком - он обеспечивает восстановление несущей только для двухфазных сигналов (2ФМ).
4. В настоящее время практически во всех демодулирующих устройствах как отечественного, так и иностранного производства используется способ синфазно-квадратурного умножения - способ Костаса (1, стр.276), взятый за прототип и обеспечивающий восстановление несущей для видов модуляции ФМ2, ФМ4, ФМ4С, ФМ8, КАМ16…КАМ256. Способ менее чувствителен к сдвигам центральной частоты и обеспечивает работу в широком диапазоне скоростей входных сигналов.
По способу Костаса выполняют следующую последовательность операций:
- прием и разветвление сигнала на два направления;
- генерацию синусоидального сигнала на частоте, близкой к несущей входного сигнала;
- квадратурно-когерентное детектирование части ФМ сигнала путем перемножения его со сдвинутым по фазе на 90° генерируемым сигналом по первому направлению разветвления сигнала;
- синфазно-когерентное детектирование части ФМ сигнала путем перемножения его с синфазно-генерируемым сигналом по второму направлению разветвления сигнала;
- фильтрацию (в полосе модулирующих частот) результатов каждого детектирования;
- перемножение квадратурных составляющих отфильтрованных сигналов (в составе устройства оценки максимума правдоподобия);
- интегрирование результатов перемножения с целью формирования сигнала ошибки для синхронизации генерируемого сигнала (при этом частота и фаза генерируемого сигнала в режиме синхронизации устанавливаются равными несущему колебанию принимаемого сигнала).
Однако этот способ имеет существенные недостатки:
- проникновение в цепь управления перестраиваемого по частоте генератора информационных составляющих (особенно при появлении в сигнале серий нулей или единиц), что приводит к снижению его помехоустойчивости (3, стр.40);
- корреляция помех в полосе контролируемого сигнала, что также ухудшает его помехоустойчивость.
Целью изобретения является повышение помехозащищенности способа восстановления несущей частоты ФМ сигналов и обеспечение восстановления несущей для произвольной кратности ФМ сигналов.
Для достижения поставленной цели предлагается способ инверсно-квадратурного восстановления несущей частоты фазоманипулированных сигналов произвольной кратности, при котором сигнал принимают и формируют два тракта обработки: первый и второй, генерируют перестраиваемый по частоте, близкой к несущей частоте фазоманипулированного сигнала, синусоидальный сигнал, осуществляют квадратурно-когерентное детектирование части ФМ сигнала путем перемножения части сигнала по первому тракту обработки со сдвинутым на 90° генерируемым синусоидальным сигналом, осуществляют синфазно-когерентное детектирование части ФМ сигнала путем перемножения части сигнала по второму тракту обработки с синфазно-генерируемым синусоидальным сигналом, фильтруют и перемножают полученные результаты в процессе оценки максимального правдоподобия, формируют оценку максимального правдоподобия, фильтруют и формируют управляющий сигнал на перестройку генерируемого синусоидального сигнала. Согласно изобретению формируют еще два тракта обработки: третий и четвертый, осуществляют генерирование синусоидального сигнала на частоте, не близкой к несущей, а на удвоенной частоте к несущей, в результате чего в первом тракте обработки получают инверсно-квадратурный сигнал, который перемножается с частью исходного сигнала по третьему тракту обработки, а во втором тракте получают инверсно-синфазный сигнал, который перемножается с частью исходного сигнала по четвертому тракту обработки, при этом сигнал восстановленной несущей формируют путем деления на два установившегося значения частоты генерируемого сигнала на удвоенной частоте, а сигнал восстановленной несущей формируют путем деления на два установившегося значения частоты генерируемого сигнала.
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого способа из доступной литературы неизвестны, поэтому он соответствует критерию новизны и изобретательного уровня.
На фиг.1 приведена блок-схема устройства, реализующего данный способ, на фиг.2 - блок схема Костаса (приведена для сравнения операций и устройств по предлагаемому способу и прототипу), на фиг.3 - базовый элемент оценки максимума правдоподобия (5 - Б.М.Боташев, Н.Г.Пархоменко «Оценивание фазы несущего колебания многопозиционных фазоманипулированных сигналов», Вопросы радиоэлектороники, выпуск 17, 1991 г.), на фиг.4 поясняется процесс не проникновения сигнала помехи, расположенного в полосе модулирующих частот входного сигнала, в продукты взаимного перемножения ФМ и  сигналов по предлагаемому методу, на фиг.5 поясняется процесс проникновения сигнала той же помехи, расположенного в полосе модулирующих частот входного сигнала, в продукты взаимного перемножения каналов I и Q по способу Костаса.
Устройство по предлагаемому способу содержит разветвитель на четыре направления 1, первый выход которого подключен ко входу последовательно соединенных смесителя 2, перемножителя 3, фильтра 4, устройства оценки максимума правдоподобия 5, пропорционально интегрирующего фильтра (фильтра обратной связи) 6, генератора, управляемого напряжением 7, фазовращателя (на 90°) 8; второй выход разветвителя 1 подключен ко входу последовательно соединенных второго смесителя 9, второго перемножителя 10, фильтра 11, выход которого подключен ко второму входу устройства оценки максимума правдоподобия 5, третий выход разветвителя 1 подключен ко второму входу первого перемножителя 3; четвертый выход разветвителя 1 подключен ко второму входу второго перемножителя 10, при этом выход фазовращателя 8 подключен ко второму входу первого смесителя 2, а выход генератора 7 подключен также ко второму входу второго смесителя 9 и ко входу делителя на два 12, являющегося выходом устройства.
Работа устройства основана на использовании свойства амплитудной и фазовой симметрии спектра ФМ сигналов относительно несущей частоты. Для амплитуды это четкая симметрия, для фазы - нечеткая (6 - «Шумоподобные сигналы в системах передачи информации» под редакцией профессора Пестрякова, М.: Сов. Радио, 1973 г.).
При преобразовании входного ФМ сигнала с помощью опорного сигнала с частотой, вдвое большей частоты несущей ФМ сигнала, формируется частотно-инверсный ФМ сигнал (с симметричной взаимной перестановкой спектральных составляющих относительно несущей частоты исходного ФМ сигнала), ортогональный по фазе и полностью эквивалентный исходному сигналу.
При перемножении исходного и частотно-инверсного ФМ сигнала формируется сигнал управления, обеспечивающий синхронизацию частоты генератора (ГУН) относительно принимаемого несущего колебания. При этом сопутствующие сигналу помехи в исходном и частотно-инверсном спектрах ФМ сигналов оказываются симметричными относительно несущей сигнала, и их взаимная корреляция отфильтровывается пропорционально-интегрирующим фильтрам цепи управления, что минимизирует их вклад в сигнале управления и тем самым повышает помехозащищенность устройства.
Устройство (фиг.1) работает следующим образом. Принятый сигнал в разветвителе 1 разветвляется на четыре тракта обработки. По первому тракту сигнал поступает на смеситель 2, на второй вход которого поступает сигнал от ГУН 7 на удвоенной частоте относительно несущей сигнала через фазовращатель 8, в результате этого на выходе смесителя 2 формируется частотно-инверсная копия Q канала входного сигнала, которая поступает на перемножитель 3, на второй вход которого поступает исходный сигнал от третьего тракта обработки. Результат перемножения фильтруется в блоке 4 и поступает на первый вход формирователя оценки максимум правдоподобия 5.
Работа устройства по второму и четвертому трактам обработки аналогична описанной выше, за исключением того, что на второй смеситель 9 сигнал от ГУН 7 подается непосредственно, в результате чего на его выходе формируется частотно инверсная копия I канала входного сигнала. Выход фильтра 11 канала I подается на второй вход блока 5, управляющее напряжение от которого поступает на пропорционально интегрирующий фильтр 6, а от него на управляющий вход ГУН 7 и поддерживает его в режиме синхронизма, сигнал с выхода ГУН 7 подается на делитель на два 12, выход которого является выходом устройства. Базовый элемент формирователя оценки правдоподобия (фиг.3) содержит первый перемножитель, сумматор, вычитатель, второй перемножитель, при этом выход канала Q от устройства (фиг.1) подключен к первым входам первого перемножителя, сумматора и вычитателя, а выход канала I подключен ко вторым входам первого перемножителя, сумматора и вычитателя; выходы сумматора и вычитателя подключены соответственно к первому и второму входу второго перемножителя. Выход первого перемножителя поступает на вход пропорционально интегрирующего фильтра 6 и на вход последующего базового элемента, выход второго перемножителя поступает на второй вход последующего базового элемента. Количество последовательно соединенных базовых элементов определяется кратностью модуляции. Для ФМ4 - один базовый элемент, для ФМ8 - два, для Кам16 - три, для КАМ 256 - семь.