Устройство приема сигналов квадратурной амплитудной манипуляции
QAM SIGNAL RECEIVING DEVICE

Заявленное устройство относится к области радиотехники и может быть использовано при приеме сигналов квадратурной амплитудной манипуляции (КАМ) в радиоканалах с замираниями.
Известен «Демодулятор сигналов шестнадцатипозиционной квадратурной амплитудной манипуляции» (Патенте РФ №2235440, МПК H01L27/22, опуб. 27.08.2004, Бюл. №24). Данное устройство содержит первый, второй фазовые детекторы, первый, второй фильтры нижних частот, первый - десятый компараторы, первый, второй элемент И, фазовращатель на 90°, блок восстановления несущей, первый - шестой элементы ИЛИ, первый - четвертый счетчики, первый, второй блоки сравнения, регистр, генератор свип-сигнала.
Недостатком данного устройства является низкая помехоустойчивость при функционировании в каналах с изменением амплитуды сигнала вследствие замираний.
Известен «Приемник сигналов квадратурной амплитудной манипуляции» (Патент РФ №2019053, МПК H04L 27/34, опуб. 30.08.1994) и содержащий: первый, второй и третий демодуляторы, генератор свип-сигнала, первый и второй фильтры нижних частот, первый и второй пороговые блоки, элемент ИЛИ, первый и второй блоки кодового различения, блок восстановления несущей, первый и второй фазовращатели.
Недостатком данного устройства, как и предыдущего аналога, является низкая помехоустойчивость в каналах с изменением амплитуды принимаемого сигнала в каналах с замираниями.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является «Устройство приема сигналов квадратурной амплитудной манипуляции» (Патенте РФ №2707729, МПК H04L 27/3 8, опуб. 29.11.2019, Бюл. №34). Данное устройство состоит из полосового фильтра, вход которого является входом устройства, а выход подключен к входу широкополосного ограничителя-усилителя и входу амплитудного детектора. Выход широкополосного ограничителя-усилителя соединен с входом квадратора, выход которого подключен к входу фильтра верхних частот.
Выход фильтра верхних частот одновременно подключен к первому входу фазового детектора и к входу первого фазовращателя, выход первого фазовращателя подключен к входу второго фазовращателя, выход которого подключен к второму входу фазового детектора.
Выход фазового детектора подключен к входу первого аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к первому входу амплитудно-фазового детектора, ко второму входу которого подключен выход второго аналого-цифрового преобразователя, а к входу второго аналого-цифрового преобразователя подключен выход амплитудного детектора. Выход амплитудно-фазового детектора является выходом устройства.
Данное устройство предназначено для приема и демодуляции сигналов квадратурной амплитудной манипуляции.
Недостатком прототипа является низкая помехоустойчивость приема квадратурных сигналов амплитудной манипуляции в каналах с изменением амплитуды вследствие замираний.
Задачей изобретения является создание устройства приема сигналов квадратурной амплитудной манипуляции, позволяющего производить регулировку тракта амплитудной обработки принимаемого сигнала управляющим напряжением, детектированным на длительности передачи вектора сигнального созвездия (ВСС) сигнала квадратурной амплитудной манипуляции.
Техническим результатом заявляемого устройств является повышение помехоустойчивости приема элементов сигнала квадратурной амплитудной манипуляции в радиоканалах с замираниями.
Технический результат достигается тем, что в устройство приема сигналов квадратурной амплитудной манипуляции содержащее последовательно соединенные полосовой фильтр, широкополосный ограничитель-усилитель, квадратор, фильтр верхних частот, первый фазовращатель, второй фазовращатель, фазовый детектора, первый аналого-цифрового преобразователь и амплитудно-фазовый детектор, выход которого является выходом устройства, причем выход фильтра верхних частот соединен со вторым входом фазового детектора, а вход полосового фильтра является входом устройства, а также амплитудный детектор, выход которого подключен ко входу второго аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен ко второму входу амплитудного фазового детектора, в устройство дополнительно введены последовательно соединенные фильтр нижних частот, амплитудный детектор, полосовой фильтр, инвертирующий усилитель и регулируемый усилитель, выход которого подключен ко входу амплитудного детектора, а выход полосового фильтра подключен соответственно ко входу фильтра низких частот и второму входу регулируемого усилителя.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявляемом устройстве производится регулировка тракта амплитудной обработки принимаемого сигнала управляющим напряжением, детектированным на длительности передачи ВСС сигнала квадратурной амплитудной манипуляции.
Поясним возможность достижения указанного технического результата.
В прототипе реализуется алгоритм обработки, обеспечивающий компенсацию случайного изменения фазы принимаемого сигнала. Учитывая свойства амплитудно-манипулированных квадратурных сигналов, устройство функционально состоит из двух трактов: обработки фазы и амплитуды принимаемого сигнала. При этом решение о переданном ВСС принимается одновременно по двум детектированным параметрам сигнала: амплитуде и фазе. Поскольку тракт обработки амплитуды сигнала реализован без учета свойств радиоканалов с замираниями, то применение устройства-прототипа в таких радиоканалах обеспечивает повышение ошибочного приема уровня амплитуды сигнала, что и приведет к снижению помехоустойчивости приема в заданных условиях.
В предлагаемом устройстве дополнительно осуществляется компенсация изменения амплитуды принимаемого сигнала вследствие замираний. При этом особенностью технической реализации указанной процедуры является реализация детектирования управляющего напряжения на длительности излучения ВСС сигнала квадратурной амплитудной манипуляции. Поэтому помехоустойчивость приема элементов сигнала в каналах с изменением амплитуды вследствие замираний возрастает.
Заявляемое устройство поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена структурная схема устройства и введены следующие обозначения:
1 Полосовой фильтр
2 Широкополосный ограничитель-усилитель
3 Квадратор
4 Фильтр верхних частот
5 Первый фазовращатель
6 Второй фазовращатель
7 Фазовый детектор
8 Первый аналого-цифровой преобразователь
9 Амплитудно-фазовый детектор
10 Первый амплитудный детектор
11 Второй аналого-цифровой преобразователь
12 Фильтр нижних частот
13 Второй амплитудный детектор
14 Полосовой фильтр
15 Инвертирующий усилитель
16 Регулируемый усилитель
Устройство содержит полосовой фильтр 1, вход которого является входом устройства, а выход подключен к входу широкополосного ограничителя-усилителя 2, выход широкополосного ограничителя-усилителя 2 соединен с входом квадратора 3, выход которого подключен к входу фильтра верхних частот 4, выход фильтра верхних частот 4 подключен ко входу первого фазовращателя 5, выход которого подключен ко входу второго фазовращателя 6, выход которого подключен к первому входу фазового детектора 7, второй вход которого подключен к выходу фильтра верхних частот 4, а выход - ко входу первого аналого-цифрового преобразователя 8, выход которого подключен к первому входу амплитудно-фазового детектора 9, выход которого является выходом устройства, амплитудный детектор 10, выход которого подключен ко входу второго аналого-цифрового преобразователя 11, выход которого подключен ко второму входу амплитудно-фазового детектора 9, 61 е а также последовательно соединенные фильтр нижних частот 12, амплитудный детектор 13, полосовой фильтр 14, инвертирующий усилитель 15 и регулируемый усилитель 16, выход которого подключен ко входу амплитудного детектора 10, а выход полосового фильтра 1 подключен соответственно ко входу фильтра нижних частот 12 и второму входу регулируемого усилителя 16.
Полосовой фильтр 1 предназначен для выделения спектра частот полезного сигнала. Варианты реализации полосового фильтра 1 известны полностью, аналогичны устройству-прототипу.
Широкополосный ограничитель-усилитель 2 используется для ограничения амплитуды принимаемого сигнала до заданного уровня без внесения искажений. Реализация широкополосного ограничителя-усилителя 2 аналогична устройству-прототипу.
Квадратор 3 предназначен для возведения в квадрат подаваемого на его вход напряжения сигнала. Квадратор 3 представлен в устройстве-прототипе.
Фильтр верхних частот 4 используется для выделения высокочастотных составляющих сигнала для последующей обработки. Варианты реализации фильтра верхних частот 4 совпадают с прототипом.
Первый 5 и второй 6 фазовращатели предназначены для изменения фазы обрабатываемого сигнала. Их реализация приведена в устройстве-прототипе.
Фазовый детектор 7 предназначен для получения на выходе блока напряжения в соответствии с изменением фазы принимаемого сигнала. Фазовый детектор 7 представлен в устройстве-прототипе.
Первый 8 и второй 11 аналого-цифровые преобразователи предназначены для преобразования аналогового напряжения в цифровую импульсную последовательность. Схема аналого-цифровых преобразователей известна и полностью соответствует устройству-прототипу.
Амплитудно-фазовый детектор 9 предназначен для формирования информационных битов в соответствии с поступающими на его входы кодовыми последовательностями, представлен в прототипе.
Амплитудный детектор 10 используется для получения на выходе блока напряжения, пропорционального огибающей принимаемого сигнала. Амплитудный детектор известен и представлен в устройстве-прототипе.
Фильтр нижних частот 12 предназначен для обеспечения длительности детектирования амплитуды управляющего напряжения, равной длительности излучения ВСС сигнала квадратурной амплитудной манипуляции. Фильтр нижних частот 12 может быть построен на основе RC- цепей. Схемы таких фильтров известны и приведены, в частности, в [Осадченко В.Х. и др. Фильтры высоких и низких частот. - Юрайт, 2019. - 80 с.].
Схемы активного регулируемого фильтра низких частот 12 приведена, например, в патенте РФ №2720559 от 12.05.20.
Назначение и реализация амплитудного детектора 13 аналогичны блоку 10.
Полосовой фильтр 14 предназначен для выделения переменного напряжения вследствие изменения амплитуды сигнала под воздействием замираний. Ширина полосы пропускания полосового фильтра 14 выбирается исходя из условия подавления постоянного напряжения, определяемого амплитудой сигнала вследствие манипуляции, а также подавления переменного напряжения вследствие изменения амплитуды при изменении ВСС. Полосовой фильтр 14 является известным устройством и представлен, например, в патенте РФ №2516756 от 20.05.2014 [Тюменцев А.И., Рябоконь Д.С., Ясинский И.М. Полосовой перестраиваемый LC-фильтр. Патент РФ №2516756 от 20.05.2014].
Инвертирующий усилитель 15 предназначен для согласования детектированного блоком амплитудного детектора 13 напряжения с параметрами регулируемого усилителя 16, инверсии детектированного напряжения на его входе. Инвертирующий усилитель 15 может быть реализован на операционных усилителях. Схемы таких устройств являются известными и представлены, например, в [Фолкенберри Л. Применения операционных усилителей и линейных ИС: -М.: Мир, 1985.-572 с.] или в патенте РФ №2715471 от 28.02.2020. Готовые технические устройства представляют интегральные микросхемы, в частности, AD706ARZ.
Регулируемый усилитель 16 предназначен для усиления, поступающего на его второй вход с различным коэффициентом усиления сигнала в зависимости от напряжения на первом (управляющем) входе. Особенностью данного усилителя в заявляемом устройстве является неизменность коэффициента усиления при отсутствии управляющего напряжения. В качестве такого усилителя может быть выбрана схема операционного усилителя, в частности микросхема AD603ARZ или схема, приведенная в патенте РФ №2140705 от 27.10.99.
Устройство работает следующим образом:
Сигнал квадратурной амплитудной манипуляции поступает на вход полосового фильтра 1, где обеспечивается фильтрация принятого сигнала от помех. С выхода полосового фильтра 1 принятый сигнал поступает одновременно на второй вход регулируемого усилителя 16, а также на входы фильтра нижних частот 12 и широкополосного ограничителя-усилителя 2, обеспечивающего ограничение амплитуды сигнала без существенного изменения ширины его спектра.
При этом амплитуда сигнала после широкополосного ограничителя-усилителя 2 принимается за нормированное единичное значение. После широкополосного ограничения производится возведение полученного сигнала в квадрат с использованием квадратора 3. С квадратора 3 постоянное напряжение и сигнал с удвоенным значением фазы поступает на вход фильтра высоких частот 4, в котором отфильтровывается постоянное напряжение.
ман
Далее сигнал поступает одновременно на второй вход фазового детектора 7 и на вход первого фазовращателя 5. В первом фазовращателе 5 производится умножение фазы сигнала на величину k, при этом k выбирается исходя из условия снятия манипуляции, путем доведения ϕ до 2π,4π,…
То есть значение величины k может быть найдено следующим образом:
где
Таким образом, после прохождения первого фазовращателя 5 в фазе сигнала остается только случайное изменение фазы, кратное k. Второй фазовращатель 6 осуществляет деление фазы сигнала на величину k. В результате получается опорное колебание для приема фазоманипулированных сигналов с учетом случайного изменения фазы.
Полученное опорное колебание подается на первый вход фазового детектора 7, в котором осуществляется демодуляция сигнала с компенсацией случайного приращения фазы.
Значение напряжения фазы с выхода фазового детектора 7 через первый аналого-цифровой преобразователь 8, осуществляющий преобразование аналогового напряжения в цифровую импульсную последовательность, поступает на первый вход амплитудно-фазового детектора 9. На второй вход амплитудно-фазового детектора 9 поступает цифровая импульсная последовательность с выхода второго аналого-цифрового преобразователя 11, соответствующая значениям амплитуды сигнала, поступающим с выхода амплитудного детектора 10.
Перед операцией амплитудного детектирования осуществляется компенсация изменения амплитуды сигнала вследствие замираний. Для этого в фильтре нижних частот 12 осуществляется задание времени интегрирования процесса изменения амплитуды сигнала. Постоянная времени интегрирующей цепи 12 выбирается равной длительности излучения ВСС.
Амплитудный детектор 13 формирует напряжение пропорциональное изменению амплитуды сигнала вследствие замираний и модуляции сигнала. Постоянная составляющая напряжения с выхода амплитудного детектора, полученная в результате модуляции, отфильтровывается полосовым фильтром 14. Также полосовой фильтр 14 ослабляет составляющие, полученные вследствие изменения амплитуды при изменении ВСС при модуляции. Таким образом с выхода полосового фильтра 14 поступает напряжение, вследствие замираний в канале.
Управляющее напряжение инвертируется и усиливается в инвертирующем усилителе 15, после чего поступает на первый (регулирующий) вход усилителя 16. При этом параметры усилителей 15 и 16 выбираются исходя из требований к динамическому диапазона устройства. Таким образом, коэффициент усиления усилителя 16 изменяется обратно пропорционально изменению амплитуды сигнала вследствие замираний, что и обеспечивает их компенсацию. Причем усилитель 16 строится по схеме с сохранением коэффициента усиления при отсутствии управляющего напряжения, например, за счет подачи дополнительного постоянного напряжения на управляющий вход по цепям питания усилителя. Такое решение позволяет использовать заявляемое устройство в каналах без замираний.
С выхода амплитудно-фазового детектора 9 поступает информационная битовая последовательность (ИБП), полученная на основе значения фазы и амплитуды принимаемого сигнала.
Алгоритм функционирования амплитудно-фазового детектора 9 основан на следующих технологических этапах. На первом технологическом этапе осуществляется заполнение вектора исходных данных. Для этого двоичная последовательность, соответствующая значению фазы сигнала, передается в программируемую логическую интегральную схему с выхода первого аналого-цифрового преобразователя 8, а с выхода второго аналого-цифрового преобразователя 11 - двоичная последовательность, соответствующая значению амплитуды сигнала.
На втором технологическом этапе осуществляется сравнение поступившей кодовой последовательности, соответствующей фазе сигнала, с пороговым значением фазы, на основе которого осуществляется определение фазы ВСС. При этом пороговые значения фазы выбираются на основе углов ВСС обрабатываемого КАМ сигнала.
На третьем технологическом этапе осуществляется сравнение кодовой последовательности, соответствующей амплитуде сигнала, с пороговым значением амплитуды, на основе которого осуществляется определение модуля ВСС, соответствующего виду обрабатываемого КАМ сигнала.
На четвертом технологическом этапе на основе сравнения формируется ИБП, соответствующая фазе ВСС и его модулю.
На последнем технологическом этапе через выход программируемой логической интегральной схемы осуществляется вывод сформированной ИБП.
Результаты проведенного моделирования процесса передачи двоичных сообщений в среде MatLAB на основе разработанного устройства показали снижение вероятности ошибки приема элемента сигнала в условиях замираний по сравнению со способом-прототипом.
Таким образом, в заявляемом изобретении при его реализации обеспечивается повышение помехоустойчивости приема элементов сигнала квадратурной амплитудной манипуляции в радиоканалах с замираниями, что указывает на достижение технического результата.