Цифровой демодулятор сигналов с квадратурной амплитудной манипуляцией
DIGITAL SIGNALS DEMODULATOR WITH QUADRATURE AMPLITUDE MANIPULATION

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в устройствах приема цифровых информационных сигналов для цифровой демодуляции многопозиционных сигналов с квадратурной амплитудной манипуляцией (КАМ, Quadrature Amplitude Modulation - QAM).
Известно устройство демодуляции сигналов с квадратурной амплитудной манипуляцией (см. Феер К. «Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра». Пер. с англ. / Под ред. В.И. Журавлева. М.: Радио и связь, 2000), состоящее из двух перемножителей, двух фильтров нижних частот, фазовращателя, генератора несущей частоты, генератора тактовых импульсов, а также двух преобразователей уровней и параллельно-последовательного преобразователя кода.
Близким к предлагаемому устройству является демодулятор (патент РФ №2246182 «Демодулятор сигналов шестнадцатипозиционной квадратурной амплитудной манипуляции» авторов Пархоменко Н.Г. и Боташева Б.М., опубликован 10.02.2005 г.). Это устройство осуществляют когерентную обработку входного сигнала в квадратурных каналах с формированием выходного информационного кода, а также обнаружением и устранением амплитудной неидентичности квадратурных каналов демодулятора.
К недостаткам известных устройств следует отнести:
- аналоговую обработку сигнала с необходимостью компенсации амплитудной неидентичности квадратурных каналов и других погрешностей;
- сложность цифровой реализации процедуры обработки сигнала, что приводит к необходимости выполнения большого числа арифметических операций на каждый поступивший отсчет сигнала и требует использования высокоскоростных вычислителей.
Наиболее близким по технической сущности и внутренней структуре к предлагаемому устройству является цифровой обнаружитель узкополосных сигналов (патент РФ №2257671 C1, H04B 1/10, 27.07.2005, Бюл. №21, авторы Глушков А.Н., Литвиненко В.П., Проскуряков Ю.Д.), способный выполнять функции амплитудного демодулятора (детектора).
Его недостатком является отсутствие возможности демодуляции сигналов с КАМ.
Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение высокоскоростной цифровой демодуляции сигналов с квадратурной амплитудной манипуляцией и устранение амплитудной неидентичности квадратурных каналов демодулятора.
Поставленная задача решается тем, что цифровой обнаружитель узкополосных сигналов, содержащий аналого-цифровой преобразователь (АЦП), регистр сдвига многоразрядных кодов на четыре отсчета, первый и второй n-каскадные каналы квадратурной обработки (ККО) сигналов и генератор тактовых импульсов (ГТИ), дополнительно содержит первое и второе пороговые устройства (ПУ), решающее устройство (РУ), декодирующее устройство (ДУ) и нормирующее и синхронизирующее устройство (НСУ). Выход первого ККО соединен с входом первого ПУ и первым входом НСУ, а выход второго ККО соединен с входом второго ПУ и вторым входом НСУ. Выход первого ПУ соединен с первым входом РУ, а его второй вход соединен с выходом второго ПУ. Выход РУ соединен с входом дешифратора, выход которого является выходом демодулятора. Выход НСУ соединен с входом синхронизации ГТИ.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами.
C
K
i
i
i
1
2
На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - созвездие сигнала KAM16, на фиг. 3 - временные диаграммы квантования сигналов синфазного x1(t) и квадратурного x2(t) каналов, тактовыми сигналами c(t) и c(t) соответственно, на фиг. 4 - примеры временных диаграмм x1, x2 и сигнала с КАМ 16 s в зависимости от номера i тактового импульса. На фиг. 5 представлены временные диаграммы нормированных результатов квадратурной обработки y(k) и y(k) как функции номера k поступившего периода при отсутствии помех (пунктиром показаны модулирующие сигналы), на фиг. 6 - аналогичные диаграммы при наличии шумовой помехи, на фиг. 7 созвездие сигнала КАМ 16 при наличии помех, а на фиг. 8 - зависимость вероятности ошибки приема М - позиционного сигнала с КАМ от отношения сигнал/шум h для различных М.
2
n
Устройство содержит АЦП 1, на вход которого поступает принимаемый сигнал 2 с выхода усилителя промежуточной частоты приемника, а на управляющий вход тактовые импульсы 3. Выход АЦП 1 соединен с входом регистра 4 сдвига многоразрядных кодов на четыре отсчета, четные выходы которого соединены с соответствующими входами вычитателя 5 первого ККО 6, а нечетные выходы - с соответствующими входами вычитателя 7 второго ККО 8. Каждый ККО помимо вычитателя содержит n каскадно соединенных блоков накопления отсчетов (БНО). Количество БНО n зависит от числа N периодов сигнала в информационном символе и определяется двоичным логарифмом N (n=logN). Такое построение устройства обеспечивает минимальное количество БНО, при этом число обрабатываемых периодов сигнала равно N=2.
Первый ККО 6 содержит последовательно соединенные БНО 9-1, …, 9-n, а второй ККО 8 - последовательно соединенные БНО 10-1, …, 10-n. Каждый из БНО состоит из регистра сдвига многоразрядных кодов и сумматора. Блоки 9-1, …, 9-n накопления отсчетов содержат регистры 11-1, …, 11-n сдвига многоразрядных кодов и сумматоры 12-1, …, 12-n соответственно, а БНО 10-1, …, 10-n - соответственно регистры 13-1, …, 13-n сдвига многоразрядных кодов и сумматоры 14-1, …, 14-n. В каждом блоке 9 (10) накопления отсчетов первый вход регистра 11 (13) сдвига является входом блока 9 (10) накопления отсчетов. Второй вход сумматора 12 (14) соединен с выходом регистра 11 (13) сдвига. Выход сумматора 12 (14) является выходом блока 9 (10) накопления отсчетов, а тактовый вход регистра 11 (13) сдвига является управляющим входом блока 9 (10) накопления отсчетов. Выход вычитателя 5 соединен с входом блока 9-1 накопления отсчетов ККО 6, а выход блока 9-n накопления отсчетов ККО 6 - с входом первого порогового устройства 15 и первым входом нормирующего и синхронизирующего устройства 16. Выход вычитателя 7 соединен с входом БНО 10-1 ККО 8, а выход БНО 10-n ККО 8 - с входом второго порогового устройства 17 и вторым входом нормирующего и синхронизирующего устройства 16. Выход ПУ 15 соединен с первым входом решающего устройства 18, а выход ПУ 17 - с его вторым входом, а выход решающего устройства 18 соединен с входом декодирующего устройства 19, выход которого 20 является выходом демодулятора сигналов с КАМ.
Первый управляющий выход НСУ 16 соединен с управляющим входом первого ПУ 15, а второй управляющий выход НСУ 16 - с управляющим входом второго ПУ 17. Синхронизирующий выход НСУ 16 соединен с синхронизирующим входом ГТИ 21. Тактовые входы АЦП 1, регистра 4 сдвига многоразрядных кодов на четыре отсчета, блоков 9 и 10 накопления отсчетов соединены с соответствующими выходами генератора тактовых импульсов 21.
Устройство работает следующим образом.
Входной сигнал с КАМ на входе 2 демодулятора имеет вид
где A(t) и B(t) - амплитуды информационных символов синфазной и квадратурной составляющих сигнала, определяемые передаваемым двоичным кодом, а  - несущая частота. Передаваемый код с четной длиной 2m бит разделяется на две равные части по m элементов, которые определяют амплитуды A(t) и B(t) соответственно. Например, код с 2m=4 делится на две части по 2 бита, по которым выбираются значения амплитуд согласно приведенной ниже таблице (U - минимальная амплитуда), отрицательная амплитуда соответствует изменению фазы на 180°.
Всего в примере имеется 16 комбинаций амплитуд синфазной и квадратурной составляющих сигнала, который обозначается как KAM 16. Их отображают в виде созвездия, как показано на фиг. 2. Число элементов созвездия может достигать 512 (в протоколе v.32bis при скорости 14400 бит/с используется КАМ 128).
C
K
i
i
i
Процесс квантования поясняется временными диаграммами процессов квантования сигналов синфазного xl(t) и квадратурного x2(t) каналов тактовыми импульсами c(t) и c(t) (в четных и нечетных тактах) соответственно, показанными на фиг. 3. Примеры фрагментов временных диаграмм сигналов x1, x2 и суммарного сигнала s с KAM 16 на границе передаваемых символов в зависимости от номера i тактового импульса приведены на фиг. 4, сетка по оси абсцисс соответствует тактовым импульсам на фиг. 3, на периоде сигнала формируются 4 тактовых импульса (два четных и два нечетных).
Э
n
Принятый сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 1, который формирует по четыре отсчета входного сигнала на период повторения  в соответствии с тактовыми импульсами 3 от генератора 21. Информационный элемент сигнала длительностью Т содержит N периодов Т несущего колебания, T=2, n - целое число.
Отсчеты входного сигнала (фиг. 3в) поступают в регистр 4 сдвига многоразрядных кодов на четыре отсчета. Четные отсчеты (фиг. 3а) за текущий период сигнала поступают в вычитатель 5 первого ККО 6, отклик которого равен удвоенной амплитуде 2А, а нечетные (фиг. 3б) - в вычитатель 7 второго ККО 8, отклик которого равен удвоенной амплитуде 2В. Как видно, для четных отсчетов значения x2 (фиг. 3б) равны нулю, а для нечетных величины x1 (фиг. 3а) также оказываются нулевыми, то есть происходит разделение синфазного и квадратурного каналов обработки, что и требуется для демодуляции сигнала с КАМ.
1
2
Значения разностей на выходе вычитателя 5 накапливаются в блоках накопления отсчетов 9-1 (на двух соседних периодах), 9-2 (на четырех периодах) и т.д., в результате на выходе первого ККО 6 по окончании информационного символа формируются величины y=2NA. Аналогично разности на выходе вычитателя 7 накапливаются в блоках накопления отсчетов 10-1 (на двух соседних периодах), 10-2 (на четырех периодах) и т.д., в результате на выходе второго ККО 8 по окончании информационного символа формируются величины y=2NB. Таким образом, отклики каналов квадратурной обработки пропорциональны амплитудам синфазной A(t) и квадратурной B(t) составляющих принятого сигнала с КАМ.
1
2
1
2
Временные диаграммы нормированных результатов квадратурной обработки y(k) и y(k) как функции номера k поступившего периода (нормированного времени) при отсутствии помех показаны на фиг. 5 (пунктиром показаны модулирующие сигналы). В моменты окончания приема элемента значения квадратурных компонент определяют принятый сигнал с КАМ. Прямолинейная форма откликов y(k) и y(k) квадратурных каналов свидетельствует о согласованности алгоритма обработки с поступающим сигналом, то есть об оптимальности алгоритма демодуляции.
1
2
Значения у и у поступают в пороговые устройства 15 и 17 соответственно, которые в соответствии с созвездием вида фиг. 2 формируют первую (m бит) и вторую (m бит) половины принятого кодового слова, всего 2m бит, которое передается в декодирующее устройство 19 для формирования принятого сообщения 20.
Нормирующее и синхронизирующее устройство 16 в процессе установления синхронного состояния оценивает уровни сигналов в квадратурных каналах и управляет работой пороговых устройств 15 и 17, устанавливая пороги сравнения для откликов квадратурных каналов.
Для обеспечения синхронного режима работы демодулятора НСУ 16 в начале сеанса связи устанавливает частоту и фазу генератора тактовых импульсов 21, необходимые для когерентной обработки принимаемого сигнала с КАМ.
Устранение амплитудной неидентичности квадратурных каналов демодулятора обеспечивается за счет того, что их отсчеты формируются общим АЦП 1.
2
В предлагаемом демодуляторе за один период сигнала необходимо выполнить всего 2logN операций сложения/вычитания многоразрядных кодов и запоминать 2N полученных значений. При этом обеспечивается минимум арифметических операций на период сигнала для решения поставленной задачи и, следовательно, высокая скорость обработки сигнала с КАМ. Технически устройство может быть реализовано либо как специализированная интегральная схема, либо как микропроцессорное устройство. Регистры сдвига многоразрядных кодов могут выполняться на базе однобитовых регистров сдвига либо оперативных запоминающих устройств.
1
2
2
На фиг. 6 показаны полученные при статистическом имитационном моделировании временные диаграммы нормированных откликов квадратурных каналов y(k) и y(k) от нормированного времени (номера обрабатываемого периода) при наличии шумовой помехи с отношением сигнал/шум h, приведенным к эквивалентному двоичному элементу, h=12 дБ. Созвездие сигнала КАМ 16 при наличии тех же помех показано на фиг. 7. Как видно, появляется разброс принятых сигналов относительно центральных точек созвездия, что приводит к появлению ошибочных решений в пороговых устройствах.
Вероятность ошибки приема сигнала с КАМ в канале с белым шумом определяется выражением
где
Аналогичное выражение получено в литературе (Прокис Д. Цифровая связь. Пер. с англ. / под ред. Д.Д. Кловского. - М.: Радио и связь, 2000).
На фиг. 8 показана зависимость вероятности ошибки приема М - позиционного сигнала с КАМ от отношения сигнал/шум h для различных М. Как видно, вероятность ошибки достаточно велика и для ее снижения необходимо обеспечивать высокое отношение сигнал/шум или использовать помехоустойчивое кодирование.
Литература
1. Феер К. «Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра». Пер. с англ. / Под ред. В.И. Журавлева. М.: Радио и связь, 2000.
2. Патент РФ №2246182 «Демодулятор сигналов шестнадцатипозиционной квадратурной амплитудной манипуляции», авторы Пархоменко Н.Г. и Боташева Б.М., опубликован 10.02.2005 г.
3. Патент RU 2257671 C1, H04B 1/10, 27.07.2005 «Цифровой обнаружитель узкополосных сигналов», Бюл. №21, авторы Глушков А.Н., Литвиненко В.П., Проскуряков Ю.Д.
4. Прокис Д. Цифровая связь. Пер. с англ. / под ред. Д.Д. Кловского. - М.: Радио и связь, 2000, 800 с.