СПОСОБ ФАЗОВОЙ МОДУЛЯЦИИ СИГНАЛОВ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНОЙ ИНФОРМАЦИИ
METHOD OF PHASE MODULATION OF SIGNALS FOR DISCRETE INFORMATION TRANSMISSION

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах связи при передаче информации по узкополосным радиоканалам.
Известны различные способы формирования фазомодулированных (ФМ) радиосигналов (PC) [патенты РФ №2264044, 2537042].
В известном способе [см. патент RU 2264044 С1, опубликованный 10.11.2005] формируют ФМ сигналы с постоянной огибающей. Для этого цифровую последовательность, связанную с информационными символами, разделяют на две цифровые информационные последовательности. Проводят цифро-аналоговое преобразование полученных двух последовательностей, перемножают один из полученных сигналов с синфазной составляющей несущего/поднесущего колебания, а другой - с квадратурной составляющей несущего/поднесущего колебания и суммируют полученные сигналы. Перед разделением на две последовательности осуществляют преобразование цифровой последовательности, связанной с информационными символами, в исходную информационную цифровую хаотическую последовательность посредством манипуляции управляющего параметра генерирующего рекуррентного алгоритма информационными символами. Разделение, с получением двух цифровых информационных хаотических последовательностей, осуществляют путем квадратурного преобразования исходной информационной цифровой хаотической последовательности.
Недостатком известного способа является сложность его реализации, связанная с необходимостью формирования квадратурных составляющих.
Кроме того, в указанном способе предполагается использование одной из двух информационных хаотических последовательностей, в результате может быть получен один из двух вариантов сигнала.
В известном способе [см. патент RU 2537042 C1, опубликованный 06.11.2013] формируется амплитудно-фазоманипулированный (АФМ) сигнал. Для этого принимают информационный цифровой сигнал, модифицируют его с использованием двоичной псевдослучайной последовательности (ПСП). Генерируют сигнал несущей частоты, затем выполняют операцию балансной модуляции сигнала несущей частоты с помощью модифицированного информационного сигнала. После чего полученный АФМ псевдослучайный сигнал усиливают и излучают. А для модификации информационного сигнала используют многопозиционную амплитудно-фазоманипулированную ПСП, для формирования которой генерируют N≥1 ПСП. Субэлементы каждой i-й ПСП, где i=1, 2, …, N, разделяют во времени на две равные части, первую из которых формируют путем вычисления синуса некоторого псевдослучайного угла из интервала (0, 2π), а вторую - косинуса этого угла. При этом многопозиционную АФМ ПСП формируют перемножением N сформированных ПСП, а формирование модифицированного информационного сигнала выполняют путем его умножения на сформированную многопозиционную АФМ ПCП.
Недостатком известного способа является то, что сформированные ФМ сигналы имеют относительно широкий спектр, так как в сигнале присутствуют разрывы фазы.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявленному является «Способ фазовой модуляции и демодуляции» [см. патент RU 2481700 С2, опубликованный 10.05.2013 Бюл. №13]. Изобретение относится к радиосвязи и может быть использовано для формирования фазоманипулированных, а также ФМ сигналов или их демодуляции. В способе-аналоге формируют ФМ сигналы на основе использования реактивного четырехполюсника. А именно: способ фазовой модуляции и демодуляции высокочастотных (ВЧ) сигналов, состоящий во взаимодействии ВЧ и низкочастотных (НЧ) сигналов с устройством фазовой модуляции и демодуляции, выполненном из реактивного четырехполюсника, двухэлектродпого нелинейного элемента и низкочастотной избирательной нагрузки.
21m
21m
21m
В режиме демодуляции ВЧ сигнал преобразовывают в АФМ сигнал путем подачи ВЧ сигнала на правый или на левый склон АЧХ устройства фазовой модуляции и демодуляции. С помощью двухэлектродного нелинейного элемента разделяют спектр АФМ сигнала на ВЧ и НЧ составляющие. Информационный НЧ сигнал подают на НЧ избирательную нагрузку в виде дифференцирующей или интегрирующей цепи соответственно. С помощью фильтра нижних частот выделяют информационный НЧ сигнал, амплитуда которого изменяется по закону изменения фазы входного ВЧ сигнала. В режиме модуляции двухэлектродный нелинейный элемент подключают к источнику информационного НЧ сигнала. Фазу ВЧ сигнала изменяют по закону изменения амплитуды информационного НЧ сигнала. При этом перед НЧ избирательной нагрузкой вводят ВЧ нагрузку, двухэлектродный нелинейный элемент включают между четырехполюсником и введенной ВЧ нагрузкой в продольную цепь. В режиме модуляции формируют квазилинейную фазовую модуляционную характеристику и модулированный по фазе ВЧ сигнал с заданным законом изменения девиации фазы φ=φ/2 от амплитуды информационного НЧ сигнала путем обеспечения заданного закона изменения разности фаз φ коэффициентов передачи устройства модуляции и демодуляции в двух состояниях, определяемых двумя значениями амплитуды информационного НЧ сигнала при одной фиксированной амплитуде и другой текущей амплитуде.
21
21
Снимают модулированный по фазе ВЧ сигнал с ВЧ нагрузки. В режиме демодуляции преобразование ВЧ сигнала в АФМ сигнал с заданным законом изменения коэффициента амплитудной модуляции от частоты осуществляют путем формирования квазилинейного склона АЧХ устройства модуляции и демодуляции за счет реализации заданного закона изменения отношения модулей m коэффициента передачи устройства модуляции и демодуляции на двух частотах при одной текущей частоте и другой фиксированной частоте. Частотные характеристики четырехполюсника выбирают из условий одновременного обеспечения заданного закона изменения отношения модулей m коэффициентов передачи от частоты в режиме демодуляции и заданного закона изменения разности фаз φ коэффициентов передачи от амплитуды информационного НЧ сигнала в режиме модуляции.
Недостатком наиболее близкого аналога является широкая полоса спектра результирующего радиосигнала, обусловленная наличием в нем разрывов фазы. Указанный факт может привести к проблемам электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств при использовании в них радиосигналов, сформированных в соответствии с способом-прототипом.
Целью заявленного технического решения является разработка способа формирования ФМ радиосигналов, обладающих более узким спектром, за счет исключения в указанных сигналах разрывов фазы при смене дискретных информационных символов.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе фазовой модуляции сигналов генерируют ВЧ колебание, формируют информационный дискретный сигнал, которым производят модуляцию. При этом, дополнительно формируют НЧ колебание, фазу которого модулируют информационным дискретным сигналом, а полученным НЧ фазоманипулированным сигналом модулируют фазу ВЧ колебания.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявляемом способе обеспечивается непрерывность фазы (отсутствие разрывов) при смене дискретных информационных символов в формируемом ФМ сигнале, представляющим собой PC. У сформированного указанным образом PC спектр более узкий по отношению к спектру фазоманипулированного PC, фаза которого имеет разрывы при смене дискретных информационных символов.
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:
фиг. 1 числовая бинарная ПСП 10110100110, сформированная с помощью генератора случайных чисел;
фиг. 2 дискретный информационный сигнал, у которого значения уровней амплитуды соответствуют значениям ПСП, представленной на фиг. 1;
фиг. 3 НЧ гармоническое НЧ колебание, фаза которого изменяется в соответствии с изменением амплитуды дискретного информационного сигнала, представленного на фиг. 2;
фиг. 4 фрагмент ВЧ ФМ PC, фаза которого изменяется в соответствии с изменением НЧ гармонического сигнала, представленного на фиг. 3;
НЧ
ВЧ
ВЧ
НЧ
фиг. 5 фрагменты: I(t) - дискретного информационного сигнала: S(t) - НЧ гармонического колебания, фаза которого изменяется в соответствии с изменением амплитуды дискретного информационного сигнала I(t); Z(t) - ВЧ фазоманипулированного PC, фаза которого изменяется в соответствии с изменением амплитуды дискретного информационного сигнала I(t); S(t) - ВЧ ФМ PC, фаза которого изменяется в соответствии с изменением НЧ сигнала S(t);
1
ВЧ
2
ВЧ
фиг. 6 спектры: |F(t)| - ВЧ фазоманипулированного PC Z(t), |F(t)| - ВЧ фазомодулированного PC S(t).
Реализация заявленного способа объясняется следующим образом.
п. 1. Предварительно задают числовую бинарную ПСП.
Числовая бинарная ПСП может задаваться, например, с помощью генератора случайных сигналов. Генераторы случайных сигналов известны и описаны, например, в патенте РФ №2168260 от 27.05.2001.
В качестве примера на фиг. 1 показана числовая бинарная ПСП 10110100110, сформированная с помощью генератора случайных чисел.
п. 2. Формируют информационный дискретный сигнал, в котором информация определяется текущим уровнем значения амплитуды в соответствии с числовой бинарной ПСП.
Процедуры формирования сигналов дискретной структуры известны [см. патент RU 2537042 С1, опубликованный 06.11.2013].
В качестве примера на фиг. 2 показан дискретный информационный сигнал, сформированный в соответствии с числовой бинарной последовательностью, представленной на фиг. 1.
п. 3. Формируют НЧ фазоманипулированный сигнал, для чего информационным сигналом дискретной структуры, в котором информация определяется текущим уровнем значения амплитуды, изменяют фазу НЧ сигнала, представляющего собой гармоническое колебание с постоянной амплитудой, по закону изменения амплитуды информационного сигнала дискретной структуры.
Формирование фазоманипулированных сигналов известно см.: [стр. 196-202 Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. 2-е издание. Пер. с англ. - М.: Издательский дом "Вильяме", 2003. - 1104 с.]; [см. патент RU 2481700 С2, опубликованный 10.05.2013 Бюл. №13].
В качестве примера на фиг. 3 показан НЧ фазоманипулированный PC, у которого фаза изменяется по закону изменения амплитуды информационного сигнала.
п. 4. Модулируют фазу ВЧ колебания НЧ фазоманипулированным сигналом, сформированным согласно п. 3, т.е. формируют искомый ВЧ ФМ PC.
Формирование ФМ PC известно, см: [рис. 11-8 Изюмов Н.М., Линде Д.П. ч Основы радиотехники. М. - Л., издательство «Энергия», 1965, 480 с.]; [интернет ресурс http://www.dsplib.ni/content/pmfm/pmfm.htm] [патент RU 2412551 С2 от 20.02.2011 г.].
В качестве примера, на фиг. 4 представлен фрагмент ФМ PC, сформированного путем модулирования его фазы НЧ фазоманипулированным PC, представленным на фиг. 3.
Таким образом, благодаря новой совокупности существенных признаков, у сформированного ФМ PC, в соответствии с процедурами заявляемого способа, обеспечивается более узкий спектр, за счет исключения разрывов фазы при смене дискретных информационных символов, что указывает на достижение заявляемого технического результата.
Согласно теории, разрывы фазы влияют на ширину спектра PC, см.: [стр. 733-750 Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. 2-е издание. Пер. с англ. - М.: Издательский дом "Вильяме", 2003. - 1104 с.]. Следовательно, PC, не имеющие разрывов фазы, будут иметь более узкий спектр.
НЧ
ВЧ
ВЧ
НЧ
В качестве примера на фиг. 5 представлены фрагменты: дискретного информационного сигнала I(t), сформированного в соответствии с фрагментом числовой бинарной ПСП {1, 0, 1}; НЧ сигнала S(t), фаза которого изменяется в соответствии с информационным сигналом I(t); ВЧ фазоманипулированного PC Z(t), фаза которого изменяется в соответствии с изменением амплитуды дискретного информационного сигнала I(t); ВЧ ФМ PC S(t), фаза которого изменяется в соответствии с изменением НЧ сигнала S(t).
Для удобства визуального анализа вертикальной пунктирной линией показаны тактовые временные интервалы.
ВЧ
1
ВЧ
2
На фиг. 6 показаны спектры: ВЧ фазоманипулированного PC Z(t), соответственно спектр |F(t)| (см. фиг. 6а), и ВЧ фазомодулированного PC S(t), соответственно спектр |F(t)| (см. фиг. 6б).
ВЧ
2
BЧ
На фиг. 6 AF, - полоса частот, включающая 95% спектральной энергии сигнала Z(t), a ΔF - полоса частот, включающая 95% спектральной энергии сигнала S(t).
BЧ
ВЧ
Анализ сформированного сигнала S(t) по заявленному способу показывает, что его спектр более узкий, чем спектр сигнала Z(t), сформированного по способу-прототипу, что указывает на возможность достижения сформулированного технического результата.