СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ ЧАСТОТЫ ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННОГО СИГНАЛА И СЛЕЖЕНИЯ ЗА НЕЙ
METHOD FOR RESTORING CARRIER FREQUENCY OF PHASE-SHIFT KEYED SIGNAL AND MONITORING THEREOF

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при реализации систем радиосвязи и радионавигации с фазоманипулированными сигналами.
При реализации когерентных способов обработки фазоманипулированных (ФМ) сигналов возникает задача восстановления сигнала несущей частоты по искаженному шумами принятому ФМ сигналу посредством использования процедуры нелинейной обработки этого сигнала. При реализации различных способов восстановления сигнала несущей возникает задача снижения среднего квадрата или дисперсии ошибки слежения за фазой несущей восстановленного сигнала.
Среди известных способов восстановления несущей частоты широкое распространение получил способ [1] фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ), в котором производят полосовую фильтрацию на средней частоте принимаемого ФМ сигнала, возведение в квадрат отфильтрованного сигнала, узкополосную фильтрацию на удвоенной средней частоте принимаемого ФМ сигнала, формирование гармонического сигнала удвоенной средней частоты принимаемого ФМ сигнала подстраиваемым по частоте генератором, управляемым напряжением, перемножение отфильтрованного сигнала двойной частоты и сигнала подстраиваемого генератора, фильтрацию результатов перемножения сигналов посредством фильтра кольца ФАП с целью формирования управляющего напряжения для подстраиваемого генератора, деление на два частоты подстраиваемого генератора, и тем самым создают сигнал восстановленной несущей.
Этот способ чувствителен к сдвигам центральной частоты, порождающим дополнительные ошибки слежения за фазой несущей восстановленного сигнала при использовании узкополосной фильтрации на удвоенной средней частоте ФМ сигнала [2]. Кроме того, при схемной реализации этого способа электрические цепи управления частотой подстраиваемого генератора создают дополнительные фазовые шумы (на 20 - 40 дб) как при их прямом функционировании, так и через воздействие на них магнитных наводок, шумов и пульсаций питающих напряжений, а также высокочастотных вибраций и акустических помех. Как известно [3], увеличение фазовых шумов приводит к увеличению нестабильности частоты подстраиваемого генератора. Это существенно ухудшает динамические параметры устройства ФАПЧ, работа которого должна проводиться при минимальной нестабильности частоты сигнала подстраиваемого генератора, особенно в фазовых навигационных системах [4].
На сегодня среди известных способов восстановления несущей частоты наиболее широко используется способ фазовой автоматической подстройки частоты [1], (реализованный в фазоквадратурном кольце ФАПЧ-системе Костаса), по которому производят формирование квадратурных опорных сигналов со средней частотой принимаемого ФМ сигнала посредством подстраиваемого по частоте генератора, управляемого напряжением, детектирование квадратурной части ФМ сигнала путем перемножения его со сдвинутым по фазе на 90° опорным сигналом, детектирование синфазной части ФМ сигнала путем перемножения его с синфазным опорным сигналом, являющимся сигналом восстановленной несущей, фильтрацию в полосе модулирующих частот результатов каждого детектирования, перемножение квадратурных составляющих отфильтрованных сигналов, фильтрацию результатов перемножения сигналов посредством фильтра кольца ФАП с целью формирования управляющего напряжения для подстраиваемого генератора, тем самым приводят сигнал подстраиваемого генератора в когерентное соответствие с принимаемым ФМ сигналом.
Как известно, фазовые ошибки слежения за фазой несущей этого способа ФАПЧ и способа ФАПЧ с квадратором описываются одинаковыми стохастическими уравнениями [1]. Поэтому при прочих равных условиях дисперсии фазовых ошибок слежения за фазой несущей как этого способа ФАПЧ, так и способа ФАПЧ с квадратором будут одного уровня. Но способ ФАПЧ [1] в большинстве случаев оказывается предпочтительнее способа ФАПЧ с возведением в квадрат [2] в виду его меньшей чувствительности к сдвигам средней частоты принимаемого ФМ сигнала. При схемной реализации этого способа электрические цепи управления частотой подстраиваемого генератора также создают дополнительные фазовые шумы, что и в известном способе ФАПЧ с квадратором, как было показано выше.
В основу изобретения положена задача восстановления сигнала несущей частоты по принятому ФМ сигналу, искаженному шумами, с существенным уменьшением дисперсии фазовых шумов в шумовой полосе ФАПЧ.
Поставленная задача решается тем, что в способе восстановления несущей частоты фазоманипулированного сигнала и слежения за ней, заключающемся в том, что производят детектирование синфазной части принятого фазоманипулированного сигнала путем перемножения его с синфазным опорным сигналом, являющимся сигналом восстановленной несущей, детектируют квадратурную часть принятого фазоманипулированного сигнала путем перемножения его со сдвинутым по фазе на 90° синфазным опорным сигналом, фильтруют в полосе модулирующих частот результаты каждого детектирования, перемножают квадратурные составляющие отфильтрованных сигналов, производят фильтрацию результата перемножения сигналов посредством фильтра кольца фазовой автоматической подстройки частоты, согласно изобретению, синфазный опорный сигнал создают посредством суммирования результатов двух произведений, один из которых получают посредством перемножения гармонического сигнала со средней частотой принимаемого фазоманипулированного сигнала, который формируют с помощью автономного генератора, и сигнала, который производят посредством функционального косинус-преобразования, а второй получают посредством перемножения сдвинутого по фазе на 90° гармонического сигнала автономного генератора и сигнала, который производят посредством функционального синус-преобразования, при этом сигналы функциональных синус- и косинус-преобразований формируют в соответствии с сигналом, полученным в результате интегрирования сигнала, профильтрованного в фильтре кольца фазовой автоматической подстройки частоты.
Сущность способа восстановления несущей частоты фазоманипулированного сигнала и слежения за ней поясняется фиг.1, на которой представлена структурная схема устройства, реализующего этот способ.
1
5
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
3
1
4
5
2
2
1
Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит пять перемножителей 1 1 сигналов, два фильтра нижних частот 2 и 2, два фазовращателя на 90° 3 и 3 гармонических сигналов, фильтр 4 кольца ФАГТЧ, интегратор 5, функциональный синус-преобразователь 6 и функциональный косинус-преобразователь 7 сигналов, автономный генератор 8 гармонического сигнала со средней частотой принимаемого ФМ сигнала и сумматор 9 сигналов. Принимаемый ФМ сигнал подается на объединенные первые входы перемножителей 1 и 1, выходами подключенных соответственно к входам фильтров 2 и 2. Выход каждого из фильтров 2 и 2 соединен с соответствующим входом третьего перемножителя 1 низкочастотных сигналов, который последовательно соединен с фильтром 4 кольца ФАПЧ, интегратором 5, функциональным синус-преобразователем бис первым входом четвертого перемножителя 14. Выходом четвертый перемножитель 14 подключен к одному из входов сумматора 9, второй вход которого соединен с выходом пятого перемножителя 15 сигналов. Одним из своих входов перемножитель 15 подключен к автономному генератору 8, который через первый фазовращатель 3 соединен также с другим входом четвертого перемножителя 1. Другим входом пятый перемножитель 1 сигналов соединен с выходом функционального косинус-преобразователя 7 сигналов, который входом, как и функциональный синус-преобразователь 6 сигналов, подключен к выходу интегратора 5. Выход же сумматора 9 соединен со вторым входом второго перемножителя 1 сигналов и через второй фазовращатель 3 - со вторым входом первого перемножителя 1 сигналов. При этом выходной сигнал сумматора 9 будет являться восстановленным сигналом несущей принимаемого ФМ сигнала.
Способ восстановления несущей частоты фазоманипулированного сигнала и слежения за ней осуществляется следующим образом.
1
2
На первых входах первого и второго перемножителей 1 и 1 сигналов действует принимаемый ФМ сигнал в форме
<mrow><msub><mi>U</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mi>j</mi></msub><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>O</mi></msub><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>π</mi><msub><mi>d</mi><mi>k</mi></msub><mo>+</mo><mi>θ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>г</mi><mi>д</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
i
A - амплитуда принимаемого ФМ сигнала;
O
ω - несущая частота элементов принимаемого ФМ сигнала;
k
d - k-ые двоичные элементы, посредством которых производится фазовая манипуляция в принимаемом сигнале (имеют значения 0 или 1);
θ - фаза несущей элементов принимаемого ФМ сигнала.
1
2
С выхода сумматора 9 на вторых входах первого и второго перемножителей 1 и 1 сигналов действуют синфазный опорный сигнал
<mrow><msub><mi>U</mi><mi>s</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mi>O</mi></msub><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>O</mi></msub><mi>t</mi><mo>+</mo><mover><mi>θ</mi><mo>^</mo></mover></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
2
и сдвинутый на 90° вторым фазовращателем 3 синфазный опорный сигнал
<mrow><msub><mi>U</mi><mi>C</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mi>O</mi></msub><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>O</mi></msub><mi>t</mi><mo>+</mo><mover><mi>θ</mi><mo>^</mo></mover></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>г</mi><mi>д</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
O
A - амплитуда опорных квадратурных сигналов;
<mrow><mover><mi>θ</mi><mo>^</mo></mover></mrow>
- фаза несущей частоты опорных квадратурных сигналов в режиме фазового синхронизма схемы ФАПЧ.
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Детектирование синфазной части принятого ФМ сигнала производят путем перемножения принимаемого ФМ сигнала (1) в перемножителе 1 с синфазным опорным сигналом (2), а детектирование квадратурной части принятого ФМ сигнала производят путем перемножения принимаемого ФМ сигнала (1) в перемножителе 1 со сдвинутым по фазе на 90° в фазовращателе 3 синфазным опорным сигналом (3). В результате перемножения принимаемого ФМ сигнала (1) с квадратурными опорными сигналами (2 и 3) в перемножителях 1, 1 сигналов и фильтрации в полосе модулирующих частот результатов умножений фильтрами 2 и 2 (в предположении, что фильтры 2 и 2 имеют коэффициенты передачи - 1 в области полосы модулирующих (низких) частот, соответствующей половине полосы частот, занимаемой принимаемым ФМ сигналом, и отфильтровывают члены с удвоенной частотой, полученные на выходах перемножителей 1, 1 сигналов) будут получены соответственно квадратурные составляющие низкочастотных сигналов в форме
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mn>2.1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>A</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>A</mi><mi>O</mi></msub><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>π</mi><msub><mi>d</mi><mi>k</mi></msub><mo>+</mo><mi>θ</mi><mo>−</mo><mover><mi>θ</mi><mo>^</mo></mover></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mn>2.2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>A</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>A</mi><mi>O</mi></msub><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>π</mi><msub><mi>d</mi><mi>k</mi></msub><mo>+</mo><mi>θ</mi><mo>−</mo><mover><mi>θ</mi><mo>^</mo></mover></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
3
k
3
При перемножении квадратурных составляющих низкочастотных сигналов (4 и 5) в третьем перемножителе 1 сигналов (учитывая, что sinx×cosx=sin(2x)/2 и sin(2πd+x)=sinx) на выходе перемножителя 1 получим сигнал в форме
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mn>1.3</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mn>2.1</mn></mrow></msub><mo>×</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mn>2.2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mi>K</mi><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>ϕ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mn>2,</mn><mtext> </mtext><mi>г</mi><mi>д</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>6</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>K</mi><mo>=</mo><msubsup><mi>A</mi><mi>i</mi><mn>2</mn></msubsup><msubsup><mi>A</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><mn>4</mn></mrow>
<mrow><mover><mi>θ</mi><mo>^</mo></mover></mrow>
; φ=θ-
- ошибка слежения за фазой несущей.
Посредством фильтра 4 кольца ФАПЧ с передаточной характеристикой в операторной форме F(p) (p≡iω) производится фильтрация напряжения (6), и в операторной форме получим результат фильтрации
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>4</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>p</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>K</mi><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mi>p</mi><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>sin</mi><mn>2</mn><mi>ϕ</mi><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>7</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
При итегрировании результата фильтрации (7) фильтром 4 кольца ФАПЧ получим напряжение на выходе интегратора 5 в виде сигнала в
<mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mi>t</mi></munderover><mrow><mi>x</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>⇒</mo><mfrac><mrow><mi>x</mi><mrow><mo>(</mo><mi>p</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>p</mi></mfrac></mrow></mrow></mstyle></mrow>
операторной форме (принимая во внимание, что
)
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>5</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>p</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mn>4</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>p</mi><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mi>p</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>K</mi><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mi>p</mi><mo>)</mo></mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>ϕ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>p</mi></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>8</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
В выражении (8) принято, что крутизна регулировочной характеристики перестраиваемого генератора (виртуального) равна 1 рад/с·В. В этом случае, в соответствии с [1 (3.63)], выходное напряжение интегратора (8) будет соответствовать значению фазы опорных квадратурных сигналов в режиме фазового синхронизма схемы ФАПЧ, и тогда в операторной форме это значение фазы можно представить как
<mrow><mover><mi>θ</mi><mo>^</mo></mover><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mn>5</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>p</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>K</mi><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mi>p</mi><mo>)</mo></mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>ϕ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>p</mi></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>9</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Посредством функциональных синус- и косинус-преобразователей 6,7 формируются сигналы напряжений
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>7</mn></msub><mo>=</mo><mi>cos</mi><msub><mi>U</mi><mn>5</mn></msub><mo>=</mo><mi>cos</mi><mover><mi>θ</mi><mo>^</mo></mover><mtext> </mtext><mi>и</mi><mtext> </mtext><msub><mi>U</mi><mn>6</mn></msub><mo>=</mo><mi>sin</mi><msub><mi>U</mi><mn>5</mn></msub><mo>=</mo><mi>sin</mi><mover><mi>θ</mi><mo>^</mo></mover><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>10</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mover><mi>θ</mi><mo>^</mo></mover></mrow>
Автономным генератором 8 формируется синфазный гармонический сигнал с нулевой фазой (При не нулевом ее значении в стационарном режиме она будет аддитивной составляющей в значении фазы
) в виде
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>8</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mi>O</mi></msub><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>O</mi></msub><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
1
и квадратурный гармонический сигнал также с нулевой начальной фазой на выходе фазовращателя 3
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mn>3.1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mi>O</mi></msub><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>O</mi></msub><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>12</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
6
7
3.1
8
При перемножении преобразованных сигналов U, U, соответственно, на квадратурные гармонические сигналы U, U, и сложении результатов перемножений в сумматоре 9 получим следующее
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>U</mi><mn>9</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mn>7</mn></msub><mo>∗</mo><msub><mi>U</mi><mn>8</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mn>6</mn></msub><mo>∗</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mn>3.1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mi>cos</mi><mover><mi>θ</mi><mo>^</mo></mover><mo>∗</mo><msub><mi>A</mi><mi>O</mi></msub><mi>sin</mi><msub><mi>ω</mi><mi>O</mi></msub><mi>t</mi><mo>=</mo><mi>sin</mi><mover><mi>θ</mi><mo>^</mo></mover><mo>∗</mo><msub><mi>A</mi><mi>O</mi></msub><mi>cos</mi><msub><mi>ω</mi><mi>O</mi></msub><mi>t</mi><mo>=</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>A</mi><mi>O</mi></msub><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>O</mi></msub><mi>t</mi><mo>+</mo><mover><mi>θ</mi><mo>^</mo></mover></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>13</mn><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr></mtable>
Таким образом получен гармонический сигнал (13), по форме совпадающий с опорным синфазным сигналом (2). При прохождении этого сигнала через фазовращатель 3i будет получен второй опорный квадратурный сигнал (3). Кроме того, выходной сигнал сумматора 9 будет являться также восстановленным сигналом несущей принимаемого ФМ сигнала, и восстановленный сигнал несущей будет отслеживаться посредством
<mrow><mover><mi>θ</mi><mo>^</mo></mover></mrow>
ФАПЧ с фазовой ошибкой φ=θ-
.
В случае отсутствия помех в принимаемом ФМ сигнале фазовая ошибка при слежении за несущей ФМ сигнала с учетом фазовой ошибки ϕ, обусловленной нестабильностью частоты автономного генератора 8 [1], будет определяться как
<mrow><msub><mi>ϕ</mi><mi>S</mi></msub><mo>=</mo><mi>θ</mi><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>K</mi><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mi>p</mi><mo>)</mo></mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>2</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mi>S</mi></msub><mo>−</mo><mi>φ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>p</mi></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>14</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
S
-12
Согласно (14) фазовая ошибка φ при слежении за несущей ФМ сигнала определяется фазовой ошибкой ϕ, обусловленной нестабильностью частоты автономного генератора 8. Относительную нестабильность частоты автономного генератора 8 на сегодня можно обеспечить до 10. При этом в отличие от известного способа (прототип) в предлагаемом способе исключены управляющие цепи, тем самым исключено вмешательство в стационарный режим автогенерации гармонического сигнала автономным генератором 8. Это позволило, не менее чем на два порядка, уменьшить фазовые шумы в шумовой полосе реальной схемы ФАПЧ при слежении за несущей ФМ сигнала, следовательно можно говорить о решении поставленной технической задачи.
Источники информации
1. В. Линдсей. Системы синхронизации в связи и управлении. - М.: Сов. радио, 1978.
2. Дж. Спилкер. Цифровая спутниковая связь. - М: Связь, 1979.
3. А.В.Рыжков, В.Н. Попов. Синтезаторы частот в технике радиосвязи. - М.: Радио и связь, 1991.
4. B.C.Шебшаевич. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. - М.: Радио и связь, 1993.