УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕМОДУЛЯЦИИ ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ

Полезная модель относится к области радиотехники и может использоваться в системах передачи информации между пространственно разнесенными пунктами многопозиционного определения местоположения и пеленгования.
Известен приемник фазоманипулированных сигналов (ФМС) [1. - авт. св. СССР №1022330, Бюл. №21, 1983], состоящий из блока выделения опорного сигнала, фазового детектора, блока управления, манипулятора фазы, селектора, триггера, причем блок выделения опорного сигнала содержит умножитель частоты, фильтр, делитель частоты и фазовращатель, блок управления содержит линию задержки, детектор, пороговый блок, управляющий триггер, селектор содержит две дифференцирующие цепи, элемент «И» и ключ.
Признаками аналога, совпадающими с признаками заявленного устройства, являются фазовый детектор, фильтр, пороговый блок и ключ.
К недостаткам данного аналога следует отнести существенное снижение помехоустойчивости при наличии частотного рассогласования между принимаемым ФМС и опорным напряжением за счет нестабильности частот гетеродинов и при наличии доплеровского смещения частоты ФМС.
Известна также система связи с передачей опорного сигнала [2 - Брызгалов А.П., Волков П.В. Способ передачи и приема информации. Патент РФ №2106066], обеспечивающая автокорреляционную обработку основного и опорного шумоподобных сигналов.
Данная система, реализующая указанный способ, состоит из передатчика и приемника. В состав передатчика входят генератор опорного сигнала, разветвитель, умножитель, источник сообщения, модулятор, сумматор, делитель мощности и передающая антенна. В состав приемника входят приемная антенна, линейный тракт приемника, автокоррелятор, состоящий из перемножителя и фильтра нижних частот, а также демодулятор. Признаками аналога, совпадающими с признаками заявленного устройства, является перемножитель, фильтр нижних частот, демодулятор.
вх
К недостаткам такой системы следует отнести наличие порогового эффекта, свойственное автокорреляционной обработке при приеме слабых сигналов (т.к. когда отношение сигнал/помеха на входе приемника g<1), что приводит к существенному снижению помехоустойчивости.
Из известных устройств, подобных заявленной модели, наиболее близким по технической сущности является устройство для демодуляции ФМС [3 - патент РФ №122533, Бюл. №33, 2012], содержащее пять перемножителей, четыре фильтра нижних частот, петлевой фильтр, два фазовращателя, управляемый генератор, два сумматора, нелинейный элемент, удвоитель частоты, полосовой фильтр и решающее устройство, причем вход устройства подключен непосредственно 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 первый сумматор; также вход устройства параллельно подключен к первым входам четвертого и пятого перемножителей через каскадно включенные полосовой фильтр и нелинейный элемент, ко второму входу четвертого перемножителя подключен выход управляемого генератора через каскадно включенный удвоитель частоты, а ко второму входу пятого перемножителя через каскадно включенные удвоитель частоты и второй фазовращатель, выход четвертого перемножителя соединен с первым входом решающего устройства через каскадно включенный третий фильтр нижних частот, а выход пятого перемножителя соединен со вторым входом решающего устройства через каскадно включенный четвертый фильтр нижних частот, причем решающее устройство имеет два входа и один выход и состоит из шестого, седьмого, восьмого и девятого перемножителей, первой и второй линий задержки, второго сумматора, вычитателя, пятого и шестого фильтров нижних частот, функционального преобразователя и второго управителя, причем к первому входу решающего устройства параллельно подключены первые входы шестого и восьмого перемножителей и вход первой линии задержки, к выходу которой параллельно подключены вторые входы шестого и седьмого перемножителей, ко второму входу решающего устройства параллельно подключены первые входы седьмого и девятого перемножителей и вход второй линии задержки, к выходу которой параллельно подключены вторые входы восьмого и девятого перемножителей, к выходу шестого перемножителя подключен первый вход вычитателя, к выходу восьмого перемножителя подключен второй вход вычитателя, к выходу девятого перемножителя подключен второй вход второго сумматора, выход которого через каскадно включенный пятый фильтр нижних частот подключен к первому входу функционального преобразователя, выход вычитателя через каскадно включенный шестой фильтр нижних частот подключен ко второму входу функционального преобразователя, выход которого через каскадно включенный второй управитель подключен к выходу решающего устройства и далее подается на второй вход первого сумматора.
Признаками прототипа, совпадающими с признаками заявленного устройства, являются перемножители, фильтры нижних частот, управитель, управляемый генератор, фазовращатель, сумматор, автокорреляционный частотный дискриминатор.
К недостаткам прототипа заявленной модели следует отнести существенную зависимость помехоустойчивости от величины входного отношения сигнал/помеха, снижение быстродействия при наличии доплеровского смещения частоты сигналов, а, также нарушение функционирования при наличии замираний ФМС.
Задача полезной модели заключается в обеспечении:
а) расширения функциональных возможностей за счет одновременной передачи сигнальной и управляющей информации по радиоканалу без увеличения используемого частотного ресурса;
б) повышения помехоустойчивости за счет использования корреляционно-фильтровой обработки пилот-сигнала с известным законом формирования псевдослучайной манипулирующей последовательности;
в) возможности оценивания группового времени запаздывания, вносимого функциональными узлами устройства демодуляции.
Технический результат достигается тем, что дополнительно введены корреляционно-фильтровое устройство, демодулятор пилот-сигнала, первый смеситель, первый полосовой фильтр, второй фазовращатель, блок управления, причем первый вход корреляционно-фильтрового устройства (КФУ) подключен к общему входу заявленного устройства, а его первый выход подключен к первому входу второго перемножителя и ко входу автокорреляционного частотного дискриминатора, второй вход подключен к первому выходу блока управления, второй выход КФУ подключен к первому входу блока управления, третий выход КФУ подключен к первому входу первого смесителя, ко второму входу которого подключен второй выход управляемого генератора, выход первого смесителя через каскадно включенные первый полосовой фильтр и второй фазовращатель подсоединен к первому входу демодулятора пилот-сигнала, второй вход которого подключен к общему входу заявленного устройства, выход демодулятора пилот-сигнала подключен ко второму входу блока управления, третий вход блока управления подключен к источнику внешней информации, причем корреляционно-фильтровое устройство состоит из второго смесителя, набора параллельных фильтров, селектора, балансного модулятора, генератора кода, гетеродина; коммутатор первый вход, выход которого подключен ко входу набора параллельных фильтров, выходы которых подключены к соответствующим входам селектора и входам многоканального коммутатора, выход которого соединен со вторым выходом КФУ; гетеродин имеет два выхода, первый выход подключен ко второму входу балансного модулятора, а второй выход генератора соединен с первым выходом КФУ, второй вход КФУ подключен к управляющему входу генератора кода, а демодулятор пилот-сигнала состоит из третьего перемножителя, третьего фильтра нижних частот, первого и второго согласованных фильтров, первого и второго некогерентных накопителя, вычитающего устройства и декодера, причем первый вход третьего перемножителя подключен к первому входу демодулятора пилот-сигнала, а второй вход третьего перемножителя подключен ко второму входу, к выходу третьего перемножителя последовательно включены первый согласованный фильтр, первый некогерентный накопитель, вычитающее устройство, декодер, вход второго согласованного фильтра подключен к выходу третьего фильтра нижних частот, а его выход подключен ко второму некогерентному накопителю, а затем ко второму входу вычитающего устройства, выход декодера подключен к выходу демодулятора пилот-сигнала.
Для достижения указанного технического результата в устройство демодуляции, содержащее первый и второй перемножители, первый и второй фильтры нижних частот, управитель, сумматор, управляемый генератор, автокорреляционный частотный дискриминатор, первый фазовращатель, при чем вход устройства подключен к первому входу первого перемножителя, а второй выход которого подключен к выходу первого фазовращателя, выход первого перемножителя подключен через последовательно включенный первый фильтр нижних частот к сигнальному выходу устройства, второй вход второго перемножителя подключен к первому выходу управляемого генератора, выход второго перемножителя подключен через последовательно включенные второй фильтр нижних частот и управитель к первому входу сумматора, ко второму входу которого подключен выход автокорреляционного частотного дискриминатора, выход сумматора подключен к управляющему входу управляющего генератора, отличающееся тем, что дополнительно введены корреляционно-фильтровое устройство, демодулятор пилот-сигнала, первый смеситель, первый полосовой фильтр, второй фазовращатель, блок управления, причем первый вход корреляционно-фильтрового устройства (КФУ) подключен к общему входу заявленного устройства, а его первый выход подключен к первому входу второго перемножителя и ко входу автокорреляционного частотного дискриминатора, второй вход подключен к первому выходу блока управления, второй выход КФУ подключен к первому входу блока управления, третий выход КФУ подключен к первому входу первого смесителя, ко второму входу которого подключен второй выход управляемого генератора, выход первого смесителя через каскадно включенные первый полосовой фильтр и второй фазовращатель подсоединен к первому входу демодулятора пилот-сигнала, второй вход которого подключен к общему входу заявленного устройства, выход демодулятора пилот-сигнала подключен ко второму входу блока управления, третий вход блока управления подключен к источнику внешней информации, причем корреляционно-фильтровое устройство состоит из второго смесителя, набора параллельных фильтров, селектора, балансного модулятора, генератора кода, гетеродина; коммутатор первый вход, выход которого подключен ко входу набора параллельных фильтров, выходы которых подключены к соответствующим входам селектора и входам многоканального коммутатора, выход которого соединен со вторым выходом КФУ; гетеродин имеет два выхода, первый выход подключен ко второму входу балансного модулятора, а второй выход генератора соединен с первым выходом КФУ, второй вход КФУ подключен к управляющему входу генератора кода, а демодулятор пилот-сигнала состоит из третьего перемножителя, третьего фильтра нижних частот, первого и второго согласованных фильтров, первого и второго некогерентных накопителя, вычитающего устройства и декодера, причем первый вход третьего перемножителя подключен к первому входу демодулятора пилот-сигнала, а второй вход третьего перемножителя подключен ко второму входу, к выходу третьего перемножителя последовательно включены первый согласованный фильтр, первый некогерентный накопитель, вычитающее устройство, декодер, вход второго согласованного фильтра подключен к выходу третьего фильтра нижних частот, а его выход подключен ко второму некогерентному накопителю, а затем ко второму входу вычитающего устройства, выход декодера подключен к выходу демодулятора пилот-сигнала.
На фигурах 1-3 приведена функциональная схема заявленного устройства.
1
1
1
1
1
2
2
2
На фиг. 1 имеем: 1 - первый перемножитель П; 2 - первый фильтр нижних частот ФНЧ; 3 - корреляционно-фильтровое устройство КФУ; 4 - первый смеситель СМ; 5 - первый полосовой фильтр ПФ; 6 - первый фазовращатель Фв; 7 - второй фазовращатель Фв; 8 - демодулятор пилот-сигнала Дс; 9 - блок управления БУ; 10 - второй перемножитель П; 11 - управляемый генератор УГ; 12 - сумматор Сум; 13 - автокорреляционный частотный дискриминатор АЧД; 14 - второй фильтр нижних частот ФНЧ; 15 - управитель Упр.
2
На фиг. 2 имеем: 3 - корреляционно-фильтровое устройство КФУ; 031 -второй смеситель См; 032 - набор полосовых фильтров НФ; 033 - селектор Сел; 034 - балансный модулятор БМ; 035 - генератор кода ГК; 036 - гетеродин Г; 037 - коммутатор.
с
3
3
1
2
1
2
На фиг. 3 имеем: 8 - демодулятор пилот-сигнала Д; 081 - третий перемножитель П; 082 - третий фильтр нижних частот ФНЧ; 083 - первый согласованный фильтр СФ; 086 - второй согласованный фильтр СФ; 085 - вычитающее устройство ВУ; 088 - декодер Дек; 084 - первый некогерентный накопитель (НН); 087 - второй некогерентный накопитель (НН).
Работа заявленного устройства демодуляции (УД) состоит в следующем.
c
y
c
y
c
y
На вход устройства поступает аддитивная смесь y(t)=S(t)+n(t), где S(t)=S(t)+S(t) - двухкомпонентный сигнал; n(t) - гауссова стационарная помеха. Необходимость в использовании двухкомпонентного сигнала S(t)=S(t)+S(t) возникает при реализации корреляционных пеленгаторов (КП) для обеспечения обмена информацией между разнесенными подвижными приемными пунктами. При этом компонент S(t) предназначен для передачи сигнальной информации, на основе которой осуществляется пеленгование, а компонент S(t) является пилот-сигналом и предназначен для передачи управляющей информации, на основе которой осуществляется синхронизация по несущей частоте, передача служебной и навигационной информации.
y
Пилот-сигнал S должен одновременно удовлетворять следующим требованиям:
y
- обеспечить достоверную передачу управляющей информации с допустимой скоростью R;
cy
mc
my
cy
- для обеспечения скрытности пилот-сигнала необходимо, чтобы выполнялось условие h=U/U>>1, где h - отношение сигнал/пилот-сигнал по напряжению на входе;
- использовать частотный ресурс идентичный с полезным сигналом;
- обеспечивать восстановление несущей частоты полезного сигнала для ситуаций, когда уровень полезного сигнала на входе УД не превышает уровень собственных шумов.
г
В случаях взаимного перемещения пунктов размещения КП при рассмотрении работы исследуемой УД необходимо учитывать, что при совместной обработке сигнальной и управляющей информации в приемном устройстве появляется дополнительная трудность за счет необходимости учета доплеровского смещения F и нестабильности частоты гетеродинов Δf, а также изменения временного сдвига принимаемого полезного сигнала и пилот-сигнала τ.
На вход устройства поступает сигнал, соответствующий выражению
c
y
0
0
s
y(t)=S(t)+S(t)+n(t) при t≤t≤t+T;
c
mc
c
c
c
d
d
S(t)=UП(t-τ)cos[2π(f+ΔF)t+φ]; τ=d/c; τ∈[0,τ];
y
my
y
c
c
c
s
г
S(t)=UП(t-τ)cos[2π(f+ΔF)t+φ]; f+ΔF=f; ΔF=F+Δf;
1
s
зс
i
y
; N=T/T; a∈[-1;1]; П(t)=Q(t)D(t);
i
1
к
зп
2
б
к
; υ∈[-1;1]; M=T/T; M=T/T;
i
s
б
зп
зс
; b∈[-1;1]; M=T/T; T≈Т;
n
зс
; Δf=2/T;
,
c
y
0
s
d
c
y
c
y
mc
s
c
c
c
my
s
c
y
зс
зп
c
к
б
n
n
n
г
где S(t), S(t) - полезный сигнал и пилот-сигнал на входе УД; n(t) - гауссова стационарная помеха, обусловленная внутренним шумом УД; t, T - момент начала и длительность сеанса демодуляции; d - база КП; c - скорость распространения радиоволн; τ, τ - временные сдвиги; П(t), П(t) - манипулирующие последовательности S(t) и S(t); U, (f+F), φ - амплитуда, частота и начальная фаза сигнала S(t); f - частота излученного сигнала; F - доплеровское смещение частоты за счет перемещения приемных пунктов КП; U, (f+F), φ - амплитуда, частота и начальная фаза пилот-сигнала S(t); T, T длительность элемента манипулирующих последовательностей П(t) и Q(t); T - длительность кодового интервала Q(t); T - длительность бита при передаче управляющей информации последовательностью D(t); , N, R(τ) - дисперсия, спектральная плотность, автокорреляционная функция помехи n(t); Δf - эквивалентная шумовая полоса по входу УД; Δf - нестабильность частоты гетеродина приемника, в состав которого входит УД.
y
2
Функционирование устройства демодуляции начинается с этапа обработки пилот-сигнала S(t). При этом процесс y(t) поступает на вход КФУ, состоящем из См, НФ, Сел, БМ, Г, Ком, ГК, в котором осуществляется квазиоптимальная обработка пилот-сигнала, представляющего собой сложный квазипериодический фазоманипулированный процесс с известным порождающим полиномом. Эта обработка включает в себя операции: а) обнаружения с поиском по задержке; б) поиска, захвата и восстановления несущей частоты; в) демодуляции сигнальной и управляющей информации.
2
В качестве опорного напряжения поступающего на См, используется процесс
оп
mоп
y
оп
оп
S(t)=UП[t-τ(t)]cos[2πft+φ];
н
ш
0
0
τ(t)=τ+(i-1)δτ при t+(i-1)ΔT≤t<t+iΔT;
н
гр
τ
τ
в
н
ш
τ=t; i∈[1,N]; N=(τ-τ)/δτ,
mоп
оп
оп
оп
y
оп
ш
y
оп
н
в
τ
гр
где U, f, φ - амплитуда, частота и начальная фаза S(t); τ(t) - изменение задержки огибающей П(t) в S(t); δτ - шаг изменения задержки огибающей П(t) в S(t); τ, τ - нижняя и верхняя границы подстройки τ(t); N - количество шагов перестройки τ(t); ΔT - длительность одного шага перестройки τ(t); t - групповое время запаздывания, вносимое при формировании опорного напряжения.
ф
ф1
ф2
ф3
c
оп
ф2
ф3
Процесс на выходе КФУ U(t) состоит из полезного компонента U(t) и двух сопутствующих компонентов U(t) и U(t), обусловленных взаимодействием S(t) и n(t) с S(t). Влияние компонентов U(t) и U(t) будет учтено при анализе помехоустойчивости УД.
ф1
y
оп
Первый компонент U(t) обусловлен взаимодействием пилот-сигнала S(t) и опорного напряжения S(t) и имеем следующий вид
;
ф
ф
ф
пч
ф
c
пч
c
оп
h(t)=2Δfsinc(πΔft)cos(2πft); Δf≥Δf+F; f=f-f,
ф
1
ф
пч
Где h(t) - импульсная реакция ПФ с полосой пропускания Δf и средней частотой f.
y
оп
d
гр
В процессе перестройки задержки огибающей П(t) в опорном напряжении S(t), когда τ(t)=τ+t, полезный компонент сворачивается по спектру и преобразуется в гармоническое колебание
ф1
mф1
пч
ф1
s
пч
U(t)=U(t)cos[2π(f+ΔF)t+φ]; f=f+ΔF,
mф1
ф1
ф1
где U, φ - амплитуда и начальная фаза компонента U(t); ΔF - величина априорно неизвестного сдвига частоты принятого сигнала S(t).
ф1
Остановка перестройки τ(t) осуществляется после обработки и обнаружения U(t) в НФ и Сел:
; ;
k
k
k
k
1
s0
s
оп
h(t)=2Δfsinc(πΔft)cos2πft; T=ΔT; f=f-f;
; ; ; ,
s0
k
k
k
1
1
k
k
s0
ф1
k
y
н
где  - предварительная оценка частоты f; h(t) - импульсная реакция полосового фильтра в k-м канале НФ; U(t), U(T) - напряжения на выходе полосового фильтра и интегратора с постоянной времени T в k-м канале НФ и Сел; Аf - средняя частота и полоса пропускания k-го канала НФ; n - количество каналов в НФ и Сел; f - оценка частоты U(t) в Сел. Селектор состоит из n каналов каждый из которых включает квадратичный детектор, интегратор и пороговое устройство. В Сел осуществляется обнаружение пилот-сигнала S(t) и сужение диапазона априорной неопределенности о частоте сигнала до величины, равной Δf. При этом получаем
s
k
1
пор
н
k
H:U(T)>U; ; Δf=Δf,
s
y1
пор
где H - гипотеза об обнаружении S(t) в k-м канале НФ и Сел; U - пороговое напряжение.
k
2
2
Далее напряжение U(t) через Ком поступает в устройство ЧАП, реализованное на основе АЧД и в устройстве ФАП, реализованное на основе П, ФНЧ, Сум, Упр, УГ.
В АЧД осуществляется уточнение оценки частоты процесса НФ
;
k
A
н
k
S=2πτ; fτ=Z+(k-1); ; k∈[1,n];
; ;
y
y
k
A
Н
од
s
2
A
c
2
A
_
где  - уточненная оценка частоты процесса S(t) на выходе АЧД;  - оценка отклонения частоты S(t) от f в АЧД; S - крутизна дискриминационной характеристики АЧД; τ - временной сдвиг, вносимый линией задержки в АЧД; Z - целое число; Δf - диапазон однозначного оценивания частоты в АЧД; U(T,τ), U(T,τ)  синусная и косинусная составляющая напряжения в квадратурных каналах АЧД.
s1
Напряжение с выхода НФ и АЧД подается через Сум в контур ФАП на Упр и обеспечивает подстройку частоты УГ до тех пор, пока частота f не попадает в полосу захватывания.
уг
После подстройки частоты и вхождения ФАП в синхронизм напряжение УГ U(t) приобретает вид:
уг
myy
уг
s
y
д
s1
уг0
p
U(t)=Ucos[2πft-+φ+Δφ+σφ]; f-f≤Δf;
,
myy
уг
уг0
уг
y
s
p
s1
уг0
где U - амплитуда напряжения U(t); f - частота УГ до начала подстройки частоты; f - частота УГ в установившемся режиме ФАП; Δφ - фазовые сдвиги, вносимые функциональными узлами КФУ до входа ФД;  - точная оценка частоты f; σφ - среднеквадратичная флюктуация фазы на выходе ФАП; Δf - величина частотного рассогласования между f и f.
2
1
2
н
c
y
После преобразования частоты в См на выходе ПФ) с учетом корректирующих Фв и Фв получаем опорное напряжение U(t), соответствующее восстановленной несущей частоте процессов S(t) и S(t)
н
м
s
U(t)=Ucos[2πft+σφ];
y
В процессе функционирования устройства демодуляции (УД) необходимо обеспечить решение таких статистических задач, как поиск и обнаружение пилот-сигнала S(t), оценивание и восстановление несущей частоты пилот-сигнала; достоверную демодуляцию управляющей и сигнальной информации.
Для повышения эффективности УД необходимо, чтобы при решении всех перечисленных задач выполнялись условия
; ,
c
y
c
y
c
y
где P, P - мощности S(t) и S(t) на входе УД;  - отношение мощности полезного сигнала S(t) к мощности пилот-сигнала S(t) к мощности суммарной помехи  на входе УД.
y
ш1
эу
ш2
эу
При решении первой статистической задачи с целью уменьшения аппаратурной сложности УД целесообразно использовать двухступенчатый последовательно-параллельный поиск пилот-сигнала S(t), когда последовательный поиск осуществляется по задержке, а параллельный поиск - по частоте. На первой ступени поиск по задержке осуществляется с большим шагом (στ≈0,5T), а на второй ступени поиск по задержке осуществляется с малым шагом (στ≤0,1T). При этом полное время поиска равно
п1
τ1
τ2
1
T=(N+N)ΔT; ; ; ΔT=T,
τ1
τ2
где N, N - количество шагов поиска при первой и второй ступени.
y
Характеристики помехоустойчивости при обнаружении пилот-сигнала S(t) определяются из следующих соотношений:
п
k
1
; α=1-Ф(g); α=nα; ;
k
од
; ; Δf=Δf,
y
1
1
k
k
од
0
где D - вероятность правильного обнаружения S(t) на выходе НФ и Сел; α, α - вероятность ложных тревог на выходе НФ в целом и одного из его каналов; arcФ(t) - функция обратная Ф(x); T - время интегрирования в каналах Сел; Δf - полоса пропускания канала НФ; g - отношение пилот-сигнал/суммарная помеха по напряжению на выходе полосового фильтра канала НФ; Δf - диапазон однозначного отсчета частоты в АЧД; g - отношение сигнал/помеха по напряжению на выходе интегратора канала Сел.
y
п1
Приведенные выше соотношения позволяют произвести оптимизацию минимально допустимой величины h при допустимых ограничениях на длительность поиска T.
y
з
Устройство ЧАП должно обеспечивать уменьшение доверительного интервала неопределенной несущей частоты S(t) до величины, соответствующей полосе захвата ФАП Δf, при заданных значениях точностных и временных характеристик.
При использовании в устройстве ЧАП автокорреляционного частотного дискриминатора (АЧД) оптимизация его основных характеристик может быть осуществлена на основе следующих формул:
од
k
A
Δf=Δf; ; S=2πτ; ;
дов
p
з
при P=0,95; ; ; Δf≤Δf;
чап
2
y
T=T+T; ,
чап
з
чд
y
2
y
k
f
ш
од
где T - быстродействие устройства ЧАП; Δf - полоса захвата ФАП; σf- среднеквадратичная флюктационная погрешность оценивания частоты S(t) в АЧД; T - постоянная интегрирования ФНЧ в АЧД; ν - допустимая скорость перестройки частоты в ФАП; T - время поиска и захвата частоты в контуре ЧАП; g, g - отношение сигнал/помеха по напряжению на входе и выходе АЧД; ΔF - шумовая полоса ФАП; Δf - диапазон однозначного отсчета в АЧД.
ш
Совместное использование в УД последовательно - параллельного поиска в НФ и Сел обеспечивает существенное уменьшение ΔF, а также упрощение аппаратурной реализации за счет сокращения числа каналов в НФ. При этом величина выигрыша в числе каналов равна .
фап
Быстродействие ФАП T рассчитывается следующим образом:
фап
з
c
д
T=t+t; ;  при σφ≤0,1 рад,
з
c
где t - время поиска и захвата частоты; t - время вхождения в синхронизм.
Характеристики помехоустойчивости и точности контура ФАП определяются следующим образом:
д
σφ≤σφ, ; ; ; ,
д
y1
cp
φ
c
y
где σφ, σφ - текущее и допустимое значение среднеквадратичной флюктационной погрешности разности фаз несущей частоты S(t) и частоты УГ в контуре ФАП; P - вероятность срыва слежения за фазой в интервале Δφ≤π; g - отношение сигнал/помеха по напряжению на выходе ФАП; Ф(x) - функция Лапласа;  - коэффициент энергетических потерь при демодуляции S(t) и S(t) за счет флюктуаций фазы в восстановленной несущей.
Для исследуемой структуры УД быстродействие равно:
увн
п
чап
фап
фап
з
c
чап
2
y
T=T+T+T; T=t+t; T=T+T.
При использовании в УВН многоступенчатой обработки информации оптимизация быстродействия может быть обеспечена при наложении ограничений на время регулирования в каждой из частей УД:
фап
д1
чап
д2
п
д3
T≤T; T≤T; T≤T,
д1
д2
д3
y
где T, T, T - допустимое время регулирования в устройствах ФАП, ЧАП и поиска фазы огибающей П(t).
c
ошу
эу
к
б
y
y
При настройке разнесенных приемных пунктов КП после приема сигналов S(t) необходима между ними передача в симплексном и (или) дуплексном режимах управляющей информации с заданным уровнем вероятности ошибочных решений P. При применении в качестве пилот-сигнала сложного квазипериодического ФМ процесса с известным порождающим полиномом длительностями элемента T, кодового интервала T и бита T после этапа восстановления несущей частоты процесса S(t) для обеспечения достоверной демодуляции скрытного пилот-сигнала (h<<1) следует использовать квазикогерентную обработку совместно с согласованной фильтрацией и некогерентным накоплением При этом характеристики помехоустойчивости УД могут быть рассчитаны следующим образом:
б
1
k
k
1
эу
; ; T=mT; T=mT,
ду
1
2
y
где  - интеграл ошибок; п - отношение пилот-сигнала к суммарной помехе по напряжению на выходе вычитающего устройства (ВУ), после обработки в согласованном фильтре (СФ) и некогерентном накопителе (НН); m, m - количество элементов П(t).
При использовании в пилот-сигнале бинарной ФМ после ее обработки в Дек скорость передачи управляющей информации равна . Передача управляющей и сигнальной информации становится возможной после завершения переходных процессов в УД.
c
При демодуляции полезного сигнала S(t) вероятность ошибочного решения  определяется из соотношения
; ;
дс
ЭС
где g - отношение полезного сигнала к суммарной помехе по напряжению на выходе ФНЧ1 с постоянной интегрирования T=T.
Для иллюстрации проведенных исследований рассмотрим пример анализа основных характеристик УД при следующих исходных данных:
-6
-6
-3
ошу
ошс
чд
D=0,99; α=10; P=10; P=10; ; σf=25 Гц
эс
эу
ф
k
-6
5
3
T=T=10 с; Δf=10 Гц; Δf=10 Гц; R=50 бит/с; d=3 км.
Минимальное допустимое отношение пилот-сигнал/суммарная помеха на входе УД определяется из следующих соотношений:
φ
ш
чд
; ; g=1/σφ; ; ΔF=4σf.
эу
чд
n
ш
φ
y
-6
6 Гц
2
-2
При ; Т=10 с, σf=25 Гц получаем Δf=2·10, Δf=10 Гц, σφ=0,1 рад, g=10, а также h=7·10(-33 дБ).
д
ш
д
Быстродействие ФАП при Δf=Δf, где Δf - допустимое частотное рассогласование между
c.
ср
φ
Вероятность срыва слежения за частотой в ФАП P при g=10 стремится к нулю.
k
1
Отношение пилот-сигнал/суммарная помеха по напряжению на выходе полосового фильтра канала НФ g и постоянная интегрирования в каналах Сел T можно определить из формул:
; .
k
1
-2
При этом g=2,2, а T=2,2·10 с.
0
n
Энергетические характеристики обнаружения пилот-сигнала g и g с учетом заданных D и α равны
0
g=arcФ(1-α)+arcФ(D)=7,
n
g=arcФ(1-α)=4,75
к
ф
k
1
-4
Количество каналов НФ равно n=Δf/Δf=100, а при этом α=10.
у
ш1
эу
ш2
эу
1
Время поиска фазы П(t) в КФУ при στ≈0,5T и στ=0,1T и Δτ=d/c равно
с.
од
k
чд
p
f
од
чд
3
Используемый в устройстве ЧАП АЧД должен иметь диапазон однозначного отсчета частоты пилот-сигнала Δf=Δf=10 Гц и обеспечивать среднеквадратическую погрешность оценивания частоты σf=Δf/4=25 Гц, что достигается при g=Δf/(2πσf)=6,4 и постоянной интегрирования в АЧД  с.
чап
2
y
чап
Быстродействие ЧАП определяется из условия T=T+T и при  с равно T=0,19 с.
уд
пу
1
чап
фап
Быстродействие УД определяется из соотношения T=T+T+T+T и составляет 4,9 с.
ошу
Для обеспечения заданной величины вероятности P необходимо иметь .
б
y
б
1
k
k
2
эу
1
2
б
k
3
-2
-3
Временные параметры пилот-сигнала выбираются из условий T=1/R; T=mT, T=mT и при m=10 и m=20 равны T=2·10 с, T=10 с.
c
Для обеспечения заданной вероятности  необходимо иметь , а при этом входное отношение полезный сигнал к суммарной помехе равно h=1,1.
Приведенные расчеты показывают, что при использовании в устройстве демодуляции пилот-сигнала обеспечивает выигрыш в помехоустойчивости , который составляет 24 дБ.
Проведенные исследования подтверждают возможность построения УД, которые обладают такими достоинствами как
- возможность реализации в одном частотном ресурсе комбинированного навигационного и связного канала передачи информации;
- обеспечение энергетической скрытности использования пилот-сигнала;
- возможность восстановления несущей опорного напряжения для квазикогерентной демодуляции при приеме слабых сигналов, когда входное отношение сигнал/помеха меньше единицы.
Полученные результаты могут найти применение при проектировании многопозиционных средств радиоастрономии, радиомониторинга, телеуправления, радиолокации.
Представленные схемы на фиг. 1-3 и подробное описание принципа действия каждого функционального узла, реализация которых возможна на современной элементной базе [Жодзишский М.И. справочник: Цифровые радиоприемные устройства], позволяет изготовить устройство для демодуляции фазоманипулированных сигналов промышленным способом по своему назначению, что характеризует полезную модель как промышленно применимую.