УСТРОЙСТВО ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ СИСТЕМЫ С ЦИФРОВОЙ ФАЗОВОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

Полезная модель относится к технике передачи цифровых сигналов и может быть использована для фазовой автоподстройки генератора в приемнике системы связи, используемого для детектирования цифровых фазомодулированных сигналов с дифференциальными видами модуляции и подавленной несущей.
Известны различные схемы фазовой автоподстройки генератора, используемого для детектирования в приемнике фазомодулированных сигналов с подавленной несущей, описанные, например, в книге: Б Скляр, Цифровая связью Теоретические основы и практическое применение. - М.: Издательский дом «Вильяме», 2003. - 1104 с. или в книге: Витерби Э.Д. Принципы когерентной связи. - М.: Советское радио, 1970. - 392 с. Они содержат генераторы, управляемые напряжением, умножители частоты, полосовые фильтры и фазовые детекторы.
В них для подстройки фазы генератора, используемого в приемнике для синхронного детектирования принятых цифровых фазомодулированных сигналов, удаляется фазовая модуляция, так как она не позволяет производить автоматическую подстройку фазы генератора. Для целей энергетического выигрыша при передаче в сигнале подавляется несущая, так как она не переносит полезной информации. Это же в приемнике создает трудности для демодуляции.
В известных устройствах фаза несущей восстанавливается путем умножения частоты принимаемого сигнала. В системах с двоичной фазовой модуляцией (BPSK) фаза мешающего информационного сигнала может принимать два значения 0° и 180°. Поэтому после удвоения частоты скачки фазы исчезают. В системах с четырехкратной фазовой модуляцией (QPSK) производится умножение частоты входного сигнала на четыре, в результате чего скачки фазы за счет информационного сигнала также убираются, и это используется для автоподстройки фазы генератора, используемого для детектирования. В случае более сложных видов модуляции возможно производить умножение частоты в большее число раз. Возникающая неопределенность фазы убирается за счет использования дифференциального принципа модуляции, когда передаваемая информация содержится в относительном изменении фазы сигнала.
Все подобные системы фазовой автоподстройки характеризуются общим недостатком. Поскольку входной сигнал всегда содержит шумовую составляющую, то после удвоения частоты появляются компоненты умножения информационного сигнала на шум и шума на шум, и отношение «сигнал/шум» резко ухудшается. Это затрудняет точную автоподстройку фазы управляемого генератора и последующую демодуляцию и ведет к ухудшению помехоустойчивости передачи информации. Если используется учетверение частоты, то величина шумовых составляющих возрастает в еще большей степени. При невысоких уровнях входных сигналов это ведет к уменьшению надежности передачи сигналов вплоть до полного срыва передачи.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является устройство, описанное в книге: Галкин В.А. Цифровая мобильная радиосвязь. - М.: Горячая линия-Телеком, 2007. - 432 с. Оно представляет собой синфазно-квадратурный демодулятор (схема Костаса). Оно содержит два перемножителя, генератор, управляемый напряжением, фазовращатель на 90°, фильтры низких частот и третий перемножитель. На оба входных перемножителя поступает входной сигнал, где он перемножается с сигналов генератора, управляемого напряжением непосредственно и после фазового сдвига на 90°. Полученные два результата перемножения проходят через полосовые фильтры, где из них удаляются высокочастотные составляющие. Полученные низкочастотные составляющие представляют собой квадратурные компоненты I и Q информационного сигнала.
Далее они перемножаются в третьем перемножителе, где из них удаляется модуляция и после низкочастотного фильтра остается сигнал, пропорциональный разности начальных фаз входного сигнала и генератора, управляемого напряжением. Он используется для настройки фазы этого генератора. Устройство позволяет убрать двоичную фазовую модуляцию (BPSK). Оно также может использоваться и в системах с QPSK путем применения ограничителей после полосовых фильтров.
Описанные схемы также обладают значительным недостатком, так как в результате перемножений шумов и сигналов возрастает общий уровень шума, ухудшающий помехоустойчивость и надежность передачи сигналов. Кроме того, эти схемы неприменимы в системах с более сложными видами модуляции, таких, как, например 8-PSK или QAM. Это снижает возможности и универсальность аппаратуры.
Задачей предлагаемого устройства фазовой автоподстройки системы с цифровой фазовой модуляцией является повышение помехоустойчивости и надежности передачи сигналов и расширения возможностей и универсальности применения аппаратуры.
Поставленная задача решается тем, что в устройство фазовой автоподстройки системы с цифровой фазовой модуляцией, содержащее первый и второй перемножители, первый и второй фильтры, генератор, управляемый напряжением, и фазовращатель, введены первый и второй аналого-цифровые преобразователи, интегратор, вычислитель, усреднитель, блок сравнения, многоканальный вычитатель и блок памяти, причем вход устройства соединен с одними из входов первого и второго перемножителей, а их выходы через последовательно подключенные первый и второй фильтры и первый и второй аналого-цифровые преобразователи со входами вычислителя, выход которого соединен со входом многоканального вычитателя, а другие входы многоканального вычитателя соединены с выходами блока памяти, выходы многоканального вычитателя подключены ко входам блока сравнения, а его выход через последовательно соединенные усреднитель и интегратор подключен ко входу генератора, управляемого напряжением, выход генератора, управляемого напряжением, соединен с другим входом первого перемножителя и через фазовращатель с другим входом второго перемножителя.
На чертежах представлена структурная схема устройства фазовой автоподстройки системы с цифровой фазовой модуляцией - фиг. 1, рисунки, поясняющие принцип работы устройства - фиг. 2 и фиг. 3.
На фиг. 1 обозначены: первый 1 и второй 2 перемножители, первый 3 и второй 4 фильтры, первый 5 и второй 6 аналого-цифровые преобразователи, фазовращатель 7, генератор управляемый напряжением 8, интегратор 9, вычислитель 10, усреднитель 11, блок сравнения 12, многоканальный вычитатель 13 и блок памяти 14.
Блоки устройства работают следующим образом. Устройство расположено в приемнике системы связи. Входной цифровой фазомодулированный сигнал системы поступает на первые входы двух однотипных перемножителей 1 и 2. На другой вход первого перемножителя 1 подается сигнал с выхода генератора, управляемого напряжением 8. На другой вход второго перемножителя 2 подается сигнал с выхода генератора управляемого напряжением 8, прошедший через фазовращатель 7. В фазовращателе 7 производится сдвиг фазы проходящего напряжения на 90°.
В результате перемножения входного сигнала и сигнала генератора управляемого напряжением на выходе первого 1 и второго 2 перемножителей образуются сигналы суммарной и разностной частот. Первый 3 и второй 4 фильтры отсеивают сигналы суммарной частоты, а пропускают только сигналы частоты, разностной между частотой входного сигнала и частотой генератора управляемого напряжением.
Выходные сигналы фильтров подаются на первый 5 и второй 6 аналого-цифровые преобразователи, где аналоговые входные значения преобразуются в цифровые значения. Выходной сигнал первого аналого-цифрового преобразователя 5 представляет собой проекцию фазомодулированного сигнала на одну из координатных осей (сигнал I). Выходной сигнал второго аналого-цифрового преобразователя 6 представляет собой проекцию фазомодулированного сигнала на другую координатную ось (сигнал Q).
k
В вычислителе 10 вычисляется значение текущей фазы ψ в k-том символе сигнала, проекции которого определяются координатами I и Q. Вычисление производится по формулам:
После этого результат вычисления поступает на многоканальный вычитатель 13. На другие его многоканальные входы подаются данные с блока памяти 14. Там заранее занесены данные о фазовых соотношениях всех вариантах значений сигнала используемого вида модуляции. В многоканальном вычитателе 13 определяются разности вычисленного значения фазы с каждым из вариантов значений фазы используемого вида модуляции, имеющихся в блоке памяти 14. Эти значения разности подаются на блок сравнения 12. В нем все полученные разности сравниваются по абсолютной величине, и на вход блока сравнения подается та разность, абсолютная величина которой - наименьшая из сравниваемых.
Это значение разности усредняется в усреднителе 11 и подается на интегратор 9. Там находится интеграл от поступившей величины, и результат интегрирования подается на управляющий вход генератора, управляемого напряжением 8. Знак этой величины управляет перестройкой частоты генератора 8, управляемого напряжением.
Принцип работы устройства заключается в следующем.
Основным назначением устройства фазовой автоподстройки является настройка фазы сигнала генератора 8, управляемого напряжением, необходимая для синхронного детектирования принимаемого сигнала.
k
0
0
0
k
0
0
0
k
1
2
3
4
5
6
7
8
Пусть на входе устройства в течение символа k принимается фазомодулированный сигнал S(t)=Acos((ωt+ϕ+ϕ), где А - амплитуда сигнала; ω - частота сигнала; φ - начальная фаза фазоманипулированного сигнала; φ - изменяющееся значение фазы, переносящее информацию. В качестве примера рассмотрим восьмифазную модуляцию 8-PSK, «созвездие» которой приведено на фиг. 2. В зависимости от передаваемой информации значения фаз могут принимать 8 значений: ϕ=0°, φ=45°, φ=90°, φ=135°, φ=180°, φ=225°, φ=270°, φ=315°. Входной сигнал подается на одни из входов первого 1 и второго 2 перемножителей.
g
g
g
g
g
На выходе генератора, управляемого напряжением 8, вырабатывается сигнал S(t)=Ucos((ωt+θ), где U - амплитуда этого сигнала, ω - частота этого сигнала, θ - начальная фаза этого сигнала.
0
1
2
8
0
1
0
2
0
3
0
8
Как известно, при использовании дифференциальных видов фазовой модуляции значение передаваемой информации в каждом символе зависит не от одного из абсолютных используемых значений фазы принятого сигнала, а от разницы между предыдущим и последующим значениями фазы. В связи с этим для нормального приема сигналов допустимо, чтобы разность фаз θ-φ могла быть равной не только нулю, а равной одному из постоянных значений величин ϕ, φ, …, ϕ. То есть допустимо, чтобы она была равной θ-φ=φ, θ-φ=φ, θ-ϕ=ф, …, θ-ϕ=ϕ.
0
k
k
g
0
k
0
Однако непосредственному измерению разности фаз θ-φ «мешает» наличие фазовой модуляции. Действительно, поскольку у разных символов величина φ постоянно изменяется, то простое усреднение текущей разности фаз сигналов S(t) и S(t) не даст текущего значения величины θ-φ, необходимой для подстройки генератора 8, управляемого напряжением. Поэтому назначением последующих блоков 10-14 является устранение влияния изменяющегося в разных символах фазового сдвига ϕ на результат измерения разности фаз θ-φ.
g
Сигнал S(t) подается на другой вход первого перемножителя, в результате чего на его выходе вырабатывается напряжение:
ƒ
g
g
Сигнал генератора 8, управляемого напряжением, проходит через фазовращатль 7, где его фаза изменяется на 90°. Сигнал на выходе этого фазовращателя становится равным: S(t)=Usin(ωt+θ).
Он поступает на другой вход второго перемножителя 2, в результате чего на его выходе вырабатывается напряжение:
На выходе первого фильтра 3 выделяется сигнал разностной частоты:
На выходе второго фильтра 4 также выделяется сигнал разностной частоты:
0
g
Поскольку сигнал генератора, управляемого напряжением, служит для синхронного детектирования фазомодулированных принятых сигналов, то возможная небольшая разносить частот ω и ω за короткое время данного символа не вызовет большого изменения фазы θ и может быть отнесена на счет ее нестабильности (см., например, ранее упомянутую книгу: Галкин В.А. Цифровая мобильная радиосвязь. - М.: Горячая линия-Телеком, 2007. - 432 с.).
Таким образом, можно считать, что:
3
4
В первом 5 и втором 6 аналого-цифровых преобразователях аналоговые значения напряжений преобразуются в цифровую форму. Обозначим их, как проекции на перпендикулярные оси координат, т.е. u=I и u=Q. Далее они подаются на вычислитель 10. В нем вычисляется разность фаз между этими величинами по формуле (1), т.е. (Вычисление по этой формуле даст величину, лежащую в пределах от -90° до +270°, т.е. во всех возможных значениях разности фаз во всех квадрантах.).
k
0
k
Таким образом, определяется величина: ψ = φ - θ + φ. Она поступает на вход многоканально вычитателя 13.
k
1
1
2
1
8
1
8
1
8
1
8
k
1
1
k
2
2
k
8
8
k
o
Первоначально будем считать что в текущем k-том символе фаза информационной части равна ϕ=ϕ=0, а исходное значение угла θ лежит в первой половине угла между ϕ и φ, т.е. в интервале 0°<θ<22,5°. Эта ситуация изображена на фиг. 2. (Точки «созвездия», соответствующие значениям фаз φ ÷ φ, для удобства пронумерованы от 1 до 8). Эти значения фаз φ ÷ φ заранее занесены в блок памяти 14. По его многоканальному выходу они поступают на многоканальный вход многоканального вычитателя 13. В нем определяются разности фаз α, …, α между каждым из φ, …, φ и ψ, т.е. α=φ-ψ, α=φ-ψ, …, α=φ-ψ.
k
k
1
k
0
Пусть при передаче некоторого k-того символа значение φ было равным φ=φ=0°. Тогда ψ=φ-θ. Значения разностей будут иметь величины:
0
1
2
1
1
8
1
0
В приведенном рисунке на фиг. 2 исходная разность фаз θ-φ имеет небольшую величину и ближе к φ, чем к φ. То есть абсолютная величина угла α будет наименьшей из всех α, …, α. Блок сравнения 12 выберет значение α=θ-φ, и подключит его на вход усреднителя 11.
k
k
4
Следующий символ может иметь любое из восьми возможных значений φ. Пусть он имеет, например, значение ϕ=ϕ=135° Эта ситуация изображена на фиг. 3.
k
0
Тогда ψ=φ-θ+135°.
Разности на выходе многоканального вычитателя 13 будут иметь значения
4
4
k
0
k
Наименьшую абсолютную величину будет иметь фаза α=φ-ψ=θ-φ. Именно она будет подключена на вход усреднителя 12. Такие же значения минимальные величины будут поступать на вход усреднителя при любом последующем значении передаваемого φ.
0
Усреднитель 12 усредняет поступающие на его вход величины за несколько подряд идущих символов. Усреднение применяется для того, чтобы уменьшить влияние шумов, отклоняющих величину θ-φ от истинного значения.
0
0
0
0
Далее величина θ-φ поступает на вход интегратора 9. Интегратор 9 служит для управления перестройкой генератора 8, управляемого напряжением. Если знак величины θ-φ - положительный, то частота генератора, управляемого напряжением медленно снижается, уменьшается фаза θ, пока не станет равной фазе φ. Если знак входного напряжения интегратора - отрицательный, то частота генератора, управляемого напряжением медленно возрастает, увеличивается фаза θ, пока не станет равной фазе φ. Таким образом, происходит подстройка фазы генератора, управляемого напряжением, к начальной фазе входного сигнала.
k
k
0
1
2
2
1
8
0
0
0
0
8
0
8
1
2
ο
Теперь рассмотрим ситуацию, когда значение φ вновь равно нулю и разность фаз ψ=θ-φ лежит между значениями φ и φ, но ближе к значению ϕ, чем к ϕ т.е. исходная величина 22,5°<θ<45°. Тогда из уравнений (2) следует, что наименьшим по абсолютной величине будет угол α=315+θ-φ=-45°+θ-φ. Интегратор, управляя перестройкой генератора 8, управляемого напряжением, будет стремиться свести эту величину к нулю, что соответствует θ=φ+45°, и его перестройка остановится, когда фаза θ достигнет этого значения. (Действительно, если θ<φ+45°, то α<0 и фаза генератора 8 увеличивается, если θ>φ+45°, α>0, фаза генератора 8 уменьшается.) Таким образом, фаза θ будет подстраиваться к одному из двух ближайших значений: φ и φ.
k
1
2
3
2
3
1
8
При рассматриваемом значении φ=φ=0° исходная фаза θ может оказаться большей, чем 45° и находиться между φ и φ. Тогда она начнет подстраиваться либо к φ, либо к φ, в зависимости от того, к какому из этих значений она ближе. Это свойство справедливо для любого исходного значения θ. Автоподстройка будет ее приравнивать к той из восьми фаз ϕ÷ϕ, которая к ней ближе по величине.
k
4
k
5
4
0
0
3
4
3
3
k
5
1
8
Рассмотрим другое значение фазы передаваемого сигнала, например, ϕ=φ=135°, ранее анализированное на фиг. 3. При исходной величине угла θ, равной 22,5°<θ<45° (фаза ψ ближе к φ,чем к φ), будет в соответствии с (3) выполняться: |-45°+θ-φ,|<|θ-φ|, т.е. абсолютная величина угла α будет меньше, чем α. Перестройка генератора 8, управляемого напряжением, будет выполняться в соответствии со знаком α. Поскольку α<0 то перестройка будет увеличивать фазу θ, пока значение ψ не совпадет φ. Таким образом и здесь происходит подстройка к ближайшему из значений φ, …, φ.
k
k
3
4
3
3
k
1
8
Теперь рассмотрим другое исходное значение фазы θ, например θ=100°. Фаза φ пусть текущего символа будет равной 0°, и величина ψ лежит между ϕ и φ ближе к φ. Расстояние до φ меньше, чем до любого другого значения и подстройка будет происходить к нему. Аналогично будет происходить и при другом значении φ текущего символа. Таким образом, в зависимости от исходного значения фазы генератора и фазы принятого символа устройство фазовой автоподстройки всегда подстроит ее к той из восьми фаз ϕ÷ϕ, которая к ней ближе по величине.
k
0
1
8
В любой ситуации фаза генератора, управляемого напряжением, независимо от последовательности изменения информационных значений фазы ϕ будет зависеть только от начальной фазы θ и фазы φ в данном сеансе и будет настроена на одно из постоянных значений φ÷φ. Таким образом, убирается влияние модуляции на подстройку генератора. А поскольку при дифференциальных видах фазовой модуляции не имеет значение, на которую из них настроена фаза генератора, то дальнейшая демодуляция будет успешно осуществляться.
Устройство применимо и для других возможных видах дифференциальной фазовой модуляции (например, BPSK, QPSK, 16-PSK, QAM и др.), причем переход от одного к другому виду модуляции не потребует изменения структуры схемы, а только лишь занесение в память блока 14 других используемых значений фазы. Кроме этого, поскольку отсутствует многократное умножение частоты, то нет и значительного возрастания шумов и ухудшения помехоустойчивости.
Таким образом, применение предлагаемого устройства фазовой автоподстройки системы с цифровой фазовой модуляцией позволяет повысить помехоустойчивость системы и увеличить универсальность ее применения.