УСТРОЙСТВО ВОССТАНОВЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ ЧАСТОТЫ ДЕМОДУЛЯТОРА СИГНАЛОВ КВАДРАТУРНОЙ АМПЛИТУДНОЙ МАНИПУЛЯЦИИ ВЫСОКИХ ПОРЯДКОВ
DEVICE FOR HIGH-ORDER QUADRATURE AMPLITUDE SHIFT KEYING SIGNAL DEMODULATOR RECOVERY

Изобретение относится к области радиосвязи и может применяться в цифровых демодуляторах радиорелейных линий связи, работающих в дециметровом диапазоне частот, для демодуляции сигналов квадратурной амплитудной манипуляции (далее - КАМ).
Известно устройство для восстановления несущей частоты сигналов с амплитудно-фазовой манипуляцией (см. патент, RU 2234816, опубл. 20.08.2004, H04L 27/34), содержащее первый и второй фазовые детекторы, первый и второй интеграторы, петлевой фильтр, генератор, управляемый напряжением, фазовращатель и блок вычисления арктангенса, причем первые входы первого и второго фазовых детекторов объединены и являются входом устройства, выходы первого и второго фазовых детекторов соединены со входами, соответственно, первого и второго интеграторов, выход петлевого фильтра соединен со входом генератора, управляемого напряжением, выход которого соединен со вторым входом второго фазового детектора и входом фазовращателя, выход которого соединен со вторым входом первого фазового детектора. В него введены первый и второй аналого-цифровые преобразователи, постоянное запоминающее устройство, первый и второй квадраторы, сумматор, блок вычисления квадратного корня, перемножитель и вычитатель, причем выходы первого и второго интеграторов соединены со входами, соответственно, первого и второго аналого-цифровых преобразователей, выход первого аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом блока вычисления арктангенса, первым входом постоянного запоминающего устройства и входом первого квадратора, выход второго аналого-цифрового преобразователя соединен со вторым входом блока вычисления арктангенса, вторым входом постоянного запоминающего устройства и входом второго квадратора, выход которого соединен со вторым входом сумматора, первый вход и выход которого соединены, соответственно, с выходом первого квадратора и входом блока вычисления квадратного корня, выход которого соединен со вторым входом перемножителя, выход и первый вход которого соединены, соответственно, с входом петлевого фильтра и выходом вычитателя, первый и второй вход которого соединены, соответственно, с выходом блока вычисления арктангенса и выходом постоянного запоминающего устройства.
Недостатком аналога является его низкая помехоустойчивость при восстановлении несущей частоты сигналов с комбинированной амплитудно-фазовой манипуляцией, обусловленная наличием точек ложного захвата по фазе на его дискриминационной характеристике.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство восстановления несущей частоты демодулятора сигналов с шестнадцатипозиционной амплитудно-фазовой манипуляцией (см. патент RU 2550548, опубл. 10.05.2015, H04L 27/34, H03D 3/04), содержащее последовательно соединенные квадратурный перемножитель, первые два входа которого соединены с двумя входами устройства, блок вынесения решения о принимаемых информационных символах, два выхода которого соединены с двумя выходами устройства, формирователь сигнала ошибки, вторые два входа которого соединены с двумя выходами квадратурного перемножителя, фильтр петли, интегратор и формирователь отсчетов синуса и косинуса, два выхода которого соединены со вторыми двумя входами квадратурного перемножителя. В него введены последовательно соединенные блок оценки математического ожидания ошибки по фазе, в состав которого входит амплитудный детектор, первые два входа блока оценки математического ожидания ошибки по фазе соединены с выходами блока вынесения решения о принимаемых информационных символах, третий вход - с выходом формирователя сигнала ошибки, и сумматор, который включен в разрыв между интегратором и формирователем отсчетов синуса и косинуса, т.е. второй вход сумматора соединен с выходом интегратора, а его выход - с входом формирователя отсчетов синуса и косинуса.
Недостатком прототипа является его низкая помехоустойчивость, при демодуляции созвездий высокого порядка КАМ64 - КАМ256.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение помехоустойчивости и уменьшение вероятности ошибки на выходе, за счет увеличения точности захвата блоков подстройки частоты при демодуляции сигналов высокой плотности (КАМ64-КАМ256) без изменения полосы фильтра петли. Также устройство восстановления несущей частоты демодулятора сигналов КАМ высоких порядков позволяет уменьшить время необходимое для захвата частотной отстройки.
Для достижения указанного технического результата устройство восстановления несущей частоты демодулятора сигналов квадратурной амплитудной манипуляции высоких порядков содержит квадратурный умножитель, блок вынесения решения о принимаемом символе, фильтр петли, формирователь отсчетов синуса и косинуса, соединенный своим выходом с входом квадратурного умножителя, который соединен выходом с входом блока вынесения решения о принимаемом символе, и амплитудный детектор. Устройство также снабжено блоком выбора весового коэффициента, умножителем, блоком вычисления точной ошибки, образующими вместе с квадратурным умножителем, блоком вынесения решения о принимаемом символе, фильтром петли, формирователем отсчетов синуса и косинуса и амплитудным детектором контур точной оценки частоты, и контуром грубой оценки частоты, содержащим квадратурный умножитель, блок грубой оценки смещения частоты, фильтр петли и формирователь отсчетов синуса и косинуса, причем вход квадратурного умножителя контура грубой оценки частоты соединен с входом устройства, а выход - с входом квадратурного умножителя контура точной оценки частоты и с входом блока грубой оценки смещения частоты, выход которого соединен с входом фильтра петли контура грубой оценки частоты, который соединен своим выходом с входом формирователя отсчетов синуса и косинуса, выход которого соединен с входом квадратурного умножителя контура грубой оценки частоты, а выход квадратурного умножителя контура точной оценки частоты соединен с выходом устройства, входом амплитудного детектора и входом блока вычисления точной ошибки, выход блока вынесения решения о принимаемом символе соединен с первым входом умножителя, а выход амплитудного детектора соединен с входом блока выбора весового коэффициента, который соединен своим выходом с вторым входом умножителя, соединенного выходом с входом блока вычисления точной ошибки, который соединен своим выходом с входом фильтра петли контура точной оценки частоты, который своим выходом соединен с входом формирователя отсчетов синуса и косинуса
Устройство восстановления несущей частоты демодулятора сигналов КАМ высоких порядков поясняется следующими чертежами:
на фиг. 1 - структурная схема устройства восстановления несущей частоты сигналов КАМ высоких порядков;
на фиг. 2 - пример комплексной плоскости для КАМ256;
на фиг. 3 - график сравнения оценки фазовой ошибки прототипа и заявляемого устройства.
Устройство восстановления несущей частоты сигналов демодулятора квадратурной амплитудной манипуляции высоких порядков (см. фиг. 1) состоит из контура грубой оценки частоты, который содержит квадратурный умножитель 1 (далее - КУ), блок грубой оценки смещения частоты 2, фильтр петли 3 (далее - ФП) и формирователь отсчетов синуса и косинуса 4, и контура точной оценки частоты, в состав которого входят КУ 5, блок вынесения решения о принимаемом символе 6, амплитудный детектор 7, блок выбора весового коэффициента 8, умножитель 9, блок вычисления точной ошибки 10, ФП 11 и формирователь отсчетов синуса и косинуса 12.
Квадратурный умножитель 1 первым входом соединен с входом устройства, вторым входом - с выходом формирователя отсчетов синуса и косинуса 4, а выходом - с первым входом квадратурного умножителя 5 и входом блока грубой оценки смещения частоты 2, который соединен своим выходом с входом фильтра петли 3. Фильтр петли 3 соединен своим выходом с входом формирователя отсчетов синуса и косинуса 4. Квадратурный умножитель 5 своим вторым входом соединен с выходом формирователя отсчетов синуса и косинуса 12, а выходом соединен с входом блока вынесения решения о принимаемом символе 6, входом амплитудного детектора 7, первым входом блока вычисления точной ошибки 10 и выходом устройства. Выход блока вынесения решения о принимаемом символе 6 соединен с первым входом умножителя 9. Выход амплитудного детектора 7 соединен с входом блока выбора весового коэффициента 8, который своим выходом соединен с вторым входом умножителя 9, соединенного своим выходом с вторым входом блока вычисления точной ошибки 10. Блок вычисления точной ошибки 10 соединен своим выходом с входом фильтра петли 11, выход которого соединен с входом формирователя отсчетов синуса и косинуса 12.
Устройство работает следующим образом.
Сначала сигнал обрабатывается в контуре грубой оценки частоты. На вход КУ 1 поступают комплексные отсчеты сигнала в виде:
r=I+jQ,
где I - синфазная составляющая сигнала,
j - мнимая единица,
Q - квадратурная составляющая сигнала.
С помощью КУ 1 осуществляется поворот по фазе комплексного сигнала и принимается решение о координатах принимаемой точки сигнального созвездия.
Поскольку величина компенсации частоты заранее неизвестна, комплексный отсчет сигнала без изменений проходит КУ 1 и подается на вход блока грубой оценки смещения частоты 2. Он работает следующим образом [1]: входные комплексные отсчеты сигнала преобразуются в комплексно-сопряженные отсчеты сигнала, проходят через линию задержки длинной М, где каждый комплексно-сопряженный отсчет умножается на весовой коэффициент  выходы линии задержки суммируются, затем умножаются на входной отсчет, полученные произведения накапливаются в аккумуляторе, входящем в состав блока грубой оценки смещения частоты 2, при накоплении М отсчетов формируется сигнал ошибки, имеющий вид:
где Т - длительность комплексных отсчетов сигнала;
N - количество анализируемых комплексных отсчетов сигнала;
М - длина линии задержки, М≤N-1;
k - количество отсчетов сигнала, используемое для оценки грубой ошибки, k=1, 2,…, М;
i
r - комплексный отсчет сигнала;
- комплексно-сопряженное значение отсчета сигнала. Затем значение сигнала ошибки поступает на вход ФП 3, который преобразует величину  с выхода блока грубой оценки частоты 2 в оценку грубого смещения Δƒ1, поступающую на вход формирователя отсчетов синуса и косинуса 4. Формирователь отсчетов синуса и косинуса 4 преобразует величину Δƒ1, поступающую с выхода ФП 3, в величину компенсации частоты, которая описывается выражением:
(cos(Δƒ1)+jsin(Δƒ1)).
Комплексные отчеты величины компенсации частоты поступают на вход КУ 1 и там умножаются на входные комплексные отсчеты сигнала, поступающие со входа устройства на вход КУ 1.
Скорректированные грубо по частоте комплексные отсчеты сигнала описываются выражением:
где (cos(Δƒ1)+jsin(Δƒ1)) - это сигнал с выхода формирователя отсчетов синуса и косинуса 4 контура грубой оценки частоты.
Затем скорректированные грубо по частоте комплексные отсчеты сигнала обрабатываются в контуре точной оценки частоты, работающем по принципу feedback, где компенсация отстройки по частоте происходит таким образом, что каждый следующий комплексный отсчет сигнала, поступающий на выход устройства, умножается на величину точной ошибки, рассчитанную по предыдущему отсчету сигнала.
Скорректированные грубо по частоте комплексные отсчеты сигнала поступают на вход КУ 5 контура точной оценки частоты, где умножаются на выход формирователя отсчетов синуса и косинуса 12. При этом формируются комплексные отсчеты сигнала вида:
где Δƒ2 - оценка точной отстройки несущей частоты;
(cos(Δƒ2)+jsin(Δƒ2)) - сигнал с выхода формирователя отсчетов синуса и косинуса 12.
С выхода квадратурного умножителя 5 контура точной оценки частоты комплексные отсчеты сигнала поступают на выход из устройства.
В начальный момент времени, когда отсутствует информация о принимаемом сигнале, ошибка Δƒ2=0, а комплексный отсчет сигнала для компенсации отстройки по частоте с выхода формирователя отсчетов синуса и косинуса 12 принимает значение:
(cos(0)+j sin(0)).
В этот же момент времени комплексные отсчеты сигнала вида  с выхода квадратурного умножителя 5 поступают на вход блока вынесения решения о принимаемом информационном символе 6, который принимает решение о значениях координат точки сигнального созвездия, в зависимости от положения на комплексной плоскости точек комплексного отсчета сигнала  (зависит от используемого режима модуляции) и формирует комплексные отсчеты сигнала вида
Например, созвездие КАМ4 имеет всего 4 точки на сигнальном созвездии: -1-1j, -1+1j, 1-1j, 1+1j, если принята точка со значением 0.5-0.75j, блок вынесения решения о принимаемом информационном символе 6 примет решение что это точка 1-1j, поскольку расстояние до этой точки самое минимальное. Если принята точка 0.1+0.1j, то блок вынесения решения о принимаемом информационном символе 6 вынесет решение о том, что это точка 1+1j и т.д.
Комплексный отсчет сигнала вида  поступает на вход умножителя 9. В это же время с КУ 5 контура точной оценки частоты на вход амплитудного детектора 7 приходят комплексные отсчеты сигнала вида  В амплитудном детекторе 7 вычисляется мощность принятого комплексного сигнала по формуле:
Блок выбора весового коэффициента 8 сравнивает значения А с пороговыми значениями мощности (в зависимости от принимаемого созвездия) и принимает решение о принадлежности символа комплексного отсчета сигнала  к диагональным элементам созвездия. В зависимости от того, принадлежит ли он к диагональным элементам созвездия, блок выбора весового коэффициента 8 формирует весовой коэффициент k, который принимает следующие значения:
На фиг. 2 приведен пример комплексной плоскости для КАМ256. Символом «*», помечены диагональные точки созвездия на концентрической окружности, символом «+» - остальные точки. Выбор весового коэффициента k позволяет повысить помехоустойчивость блока вычисления точной ошибки 10 при работе с созвездиями высокого порядка (КАМ64-256) [2].
Весовой коэффициент k с выхода блока выбора весового коэффициента 8 поступает на вход умножителя 9, в котором комплексный отсчет сигнала  поступивший с выхода блока вынесения решения о принимаемом символе 6 умножается на весовой коэффициент k. Преобразованный комплексный отсчет сигнала вида  с выхода умножителя 9 поступает на вход блока вычисления точной ошибки 10, в котором происходит вычисление сигнала точной частотной ошибки через выделение мнимой части от произведения комплексно-сопряженного значения сигнала
Затем сигнал оценки точной частотной ошибки с выхода блока вычисления точной ошибки 10 подается на вход ФП 11 контура точной оценки частоты, который формирует Δƒ2 - оценку точной отстройки несущей частоты. Это значение подается на вход формирователя отсчетов синуса и косинуса 12, где формируется комплексный отсчет сигнала для точной компенсации отстройки по частоте, который описывается выражением: (cos(Δƒ2)+jsin(Δƒ2)),
С выхода формирователя отсчетов синуса и косинуса 12 он поступает на вход КУ 5, где умножается на комплексный отсчет сигнала вида , смещенный по частоте относительно входных комплексных отсчетов сигнала на величину Δƒ=Δƒ1+Δƒ2.
Далее скорректированные комплексные отсчеты сигнала вида:
поступают на выход из устройства восстановления несущей частоты демодулятора сигналов квадратурной амплитудной манипуляции высоких порядков.
Из графика сравнения оценки фазовой ошибки (см. фиг. 3) видно, что заявляемое устройство позволяет корректно формировать сигнал ошибки в диапазоне углов от -85° до 85°, в то время как прототип корректно формирует сигнал ошибки в диапазоне от -10° до 10°.
Таким образом, устройство восстановления несущей частоты демодулятора сигналов КАМ высоких порядков обладает высокой точностью захвата фазы принимаемого сигнала, при использовании созвездий высокого порядка КАМ64-КАМ256, без изменения полосы фильтра петли, и уменьшенным временем для захвата частотной отстройки. Это позволяет повысить помехоустойчивость и уменьшить вероятность ошибки на выходе цифрового демодулятора созвездий КАМ при демодуляции сигналов высокой плотности.
Источники информации:
1. М. Luise and R. Reggiannini, "Carrier frequency recovery in all-digital modems for burst-mode transmissions," IEEE Trans. Communications, pp. 1169-1178, 1995.
2. H. Sari, S. Moridi, "New phase and frequency detectors for carrier recovery in PSK and QAM systems," IEEE Trans. Communications, pp. 1035-1043, 1988.