МНОГОКАНАЛЬНОЕ ПРИЕМНО-ДЕМОДУЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ И СИГНАЛОВ КВАДРАТУРНОЙ АМПЛИТУДНОЙ МАНИПУЛЯЦИИ

Полезная модель относится к области радиотехники и цифровой техники и может быть использована для приема и демодуляции фазоманипулированных (ФМ) сигналов и сигналов квадратурной амплитудной манипуляции (КАМ) в условиях массового обслуживания.
В последние годы в системах связи широко используются фазовые виды модуляции 2ФМ...КАМ256.
В этих условиях особое значение приобретает задача одновременного контроля большого количества одновременно работающих каналов.
Обычно эта задача решается прямым наращиванием каналов приема и демодуляции.
В [«Многоканальное приемно-демодулирующее устройство». Заявка №2001108863/09 (009290) от 03.04.2001 г.] предложено многоканальное приемно-демодулирующее устройство, содержащее входной коммутатор по высокой частоте, n-радиоприемных устройств (РПУ), коммутатор по промежуточной частоте и m - демодулирующих устройств, при этом количество РПУ меньше количества демодулирующих устройств.
Недостатком этого устройства является наличие сложных коммутаторов по высокой и промежуточной частотам.
Наиболее близким устройством, взятым в качестве прототипа, является приемно-демодулирующее устройство [2-SDM-8000 Sattelite Modem Installation and Opetation Manual. EF Data Corporation, 2105 West Place, Temple, Arizona 852281 USA, RCSID/RCS/DL Modem ond Redundanoy Control System, 6340 Seduence Drive/San Diego/ California 92121 USA].
Устройство содержит (фиг.3) радиоприемное устройство в составе последовательно соединенных перестраиваемого фильтра Z1, регулируемого усилителя А1, управляющее напряжение на который подается с детектора автоматической регулировки
усиления (АРУ) U1, преобразователь частоты U2, ко второму входу которого подключен выход гетеродина U3 и полосового фильтра по ПЧ Z2, к выходам которого подключено n-демодулирующих устройств, каждое из которых содержит усилитель системы АРУ А2, управляющий сигнал на который поступает с цифрового детектора АРУ U12 через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) U14, синфазный и квадратурный каналы демодуляции, состоящие из параллельно соединенных перемножителей U5/U7, ко вторым входам которых подключен выход синтезатора U8 для синфазного канала непосредственно, а для квадратурного через фазовращатель на 90° - U6, аналоговых фильтров нижних частот Z3/Z4, аналого-цифровых преобразователей (АЦП) U9/U11, ко вторым входам которых подключены выходы синтезатора U10, децимирующих оптимальных цифровых фильтров U13/U14, при этом выходы АЦП U9/U11 подключены соответственно к первому и второму входам детектора U12, выходы децимирующих фильтров U13/U14 подключены соответственно к первым и вторым входам схемы восстановления тактовой частоты U15, выход которой подключен ко входу синтезатора U10 и схемы восстановления несущей частоты U16, выход которой подключен ко входу синтезатора U8.
Устройство работает следующим образом. Входной сигнал поступает на вход приемника. Там интересующая часть диапазона входного сигнала предварительно отфильтровывается перестраиваемым* фильтром преселектора Z1. Это необходимо для защиты от зеркального и побочных каналов приема. Далее сигнал поступает на регулируемый усилитель А1 системы АРУ приемника. Управляющий сигнал на усилитель А1 поступает с детектора АРУ U1. Далее сигнал поступает на преобразователь частоты U2, где перемножается с сигналом гетеродина U3. Результирующий сигнал ПЧ выделяется полосовым фильтром Z2.
Далее сигнал ПЧ поступает на необходимое число демодуляторов. Для получения широкого рабочего диапазона по тактовым частотам и обеспечения согласованной фильтрации, демодуляторы должны обеспечивать цифровую фильтрацию принимаемого сигнала. Каждый канал демодуляции включает усилитель системы АРУ А2, управляющий сигнал на который поступает с цифрового детектора АРУ U12 через ЦАП U4. Далее входной сигнал поступает на перемножители U5 и U7. На другие входы перемножителей поступает синусоидальный и косинусоидальный опорный сигнал с частотой, соответствующей центральной частоте принимаемого сигнала. Сдвиг фазы опорного сигнала на 90° обеспечивается фазовращателем U6. Сам опорный сигнал вырабатывается синтезатором несущей частоты U8. Синтезатором U8 управляет схема восстановления несущей частоты сигнала U16. После перемножения с опорным сигналом, принимаемый
T
T
T
сигнал раскладывается на синусную и косинусную составляющую и когерентно сносится на нулевую частоту. Полученные низкочастотные сигналы квадратур предварительно фильтруются аналоговыми фильтрами нижних частот Z3 и Z4. Это позволяет отфильтровать побочные продукты преобразования и избавиться от наложений спектра дискретизированного сигнала. Далее сигналы квадратур подаются на два идентичных АЦП U9 и U11, где подвергаются аналого-цифровому преобразованию. Тактовую частоту для АЦП обеспечивает синтезатор частоты U10, управляемый схемой восстановления тактовой частоты U15. Аналогово-цифровое преобразование осуществляется на частотах 4f, 8f, 16f и т. д. в зависимости от тактовой частоты принимаемого сигнала. С выходов АЦП дискретизированные сигналы квадратур подаются на децимирующие оптимальные цифровые фильтры U13, U14. В них осуществляется оптимальная фильтрация и децимация принимаемого сигнала. Таким образом, на выходе фильтров U13, U14 остается две выборки на период тактовой частоты сигнала (одна по центру символа, другая - в конце). Это необходимо для функционирования схем восстановления несущей и тактовой частот. Демодулированный сигнал с выхода демодулятора в виде мягких или жестких решений подается на помехоустойчивый декодер или другое устройство обработки.
Достоинством такой схемы реализации комплекса является возможность гибкого наращивания числа каналов, недостатком - большая аппаратная избыточность (каждый канал содержит усилитель АРУ, перемножители, синтезаторы несущей и тактовой частот, дорогостоящие быстродействующие АЦП, цифровые фильтры).
Недостатком схемы прототипа является также избыточность АЦП и ЦАП в каждом демодулирующем устройстве, а также аналоговое исполнение синтезаторов, фильтров и перемножителей демодулятора, для которых характерны высокая сложность и трудоемкость настроечных работ.
Целью создания полезной модели является оптимизация состава многоканального приемно-демодулирующего устройства и осуществление процесса демодуляции полностью в цифровой форме.
Для достижения указанной цели предлагается многоканальное приемно-демодулирующее устройство, содержащее радиоприемное устройство в составе последовательно соединенных полосового фильтра, усилителя АРУ, управляющее напряжение на который подается с детектора АРУ, преобразователя частоты, ко второму входу которого подключен выход гетеродина, и полосового фильтра по промежуточной частоте (ПЧ) и набор демодулирующих устройств, в которое, согласно изобретению, введены последовательно соединенные усилитель АРУ по ПЧ, аналого-цифровой
преобразователь, выход которого через цифровой детектор и цифроаналоговый преобразователь подключен ко второму входу усилителя АРУ по ПЧ, а ко второму входу аналого-цифрового преобразователя подключен выход генератора тактовой частоты, и преобразователь Гильберта. При этом выход полосового фильтра подключен ко входу усилителя АРУ по ПЧ, а выходы преобразователя Гильберта подключены ко входам n-демодулирующих устройств, выполненных на цифровых элементах, каждое из которых содержит последовательно соединенные комплексный квадратурный перемножитель, ко вторым входам которого подключены выходы синтезатора прямого синтеза, а синфазный и квадратурный выходы квадратурного перемножителя подключены ко входам соответствующих синфазного и квадратурного трактов, каждый их которых содержит последовательно соединенные децимирующий оптимальный полифазный фильтр с переменным коэффициентом децимации, второй вход которого подключен к соответствующему выходу синтезатора тактовой частоты, и усилитель АРУ, второй вход которого подключен к соответствующему выходу детектора АРУ, а также схемы восстановления несущей и тактовой частот, первые и вторые входы которых подключены соответственно к выходам усилителей АРУ синфазного и квадратурного каналов, при этом выход схемы восстановления несущей частоты подключен ко входу синтезатора прямого синтеза, выход схемы восстановления тактовой частоты подключен ко входу синтезатора тактовой частоты, а выходы усилителей АРУ подключены соответственно к первому и второму входам детектора АРУ и являются выходами демодулятора.
На фиг.1 приведена схема предлагаемого многоканального приемно-демодулирующего устройства, на фиг.2 - спектры исходного и дискретизированного исходного сигнала, на фиг.3 приведена схема прототипа.
Многоканальное приемно-демодулирующее устройство по предлагаемой схеме (фиг.1) содержит последовательно соединенные радиоприемное устройство в составе последовательно соединенных полосового фильтра 1, усилителя АРУ 2, управляющее напряжение на который подается с детектора АРУ 3, преобразователя частоты 4, ко второму входу которого подключен выход гетеродина 5, а к выходу - вход полосового фильтра по ПЧ 6; блок аналого-цифрового преобразования в составе последовательно соединенных второго усилителя АРУ 7, аналого-цифрового преобразователя 8, выход которого через цифровой детектор 9 и цифро-аналоговый преобразователь 10 подключен ко второму входу второго усилителя АРУ 7, а ко второму входу аналого-цифрового преобразователя 8 подключен выход генератора 11, и преобразователя Гильберта 12, вход которого подключен к выходу АЦП 8, а выходы подключены ко входам N демодулирующих устройств, каждое из которых содержит последовательно соединенные
комплексный квадратурный перемножитель 13, ко вторым входам которого подключены выходы синтезатора прямого синтеза 14, а синфазный и квадратурный выходы перемножителя 13 подключены ко входам соответствующих синфазного и квадратурного трактов, каждый из которых содержит последовательно соединенные децимирующий оптимальный полифазный фильтр с переменным коэффициентом децимации 15, 16, вторые входы которых подключены к соответствующим выходам синтезатора тактовой частоты 17, и усилитель АРУ 18, 19, вторые входы которых подключены к соответствующим выходам детектора АРУ 20, а также схемы восстановления тактовой 21 и несущей 22 частот, первые и вторые входы которых подключены к соответствующим выходам усилителей АРУ 18, 19, при этом выход СВТ 21 подключен ко входу синтезатора прямого синтеза 17, выход СВН 22 подключен ко входу синтезатора тактовой частоты 14, а выходы усилителей АРУ 18, 19 подключены соответственно к первому и второму входам детектора АРУ 20.
Устройство работает следующим образом.
Групповой сигнал переносится на промежуточную частоту так же, как и в прототипе. Для расширения рабочей полосы частот каждого канала демодулятора промежуточная частота выбрана равной 140 МГц. С помощью полосового фильтра 6 выделяется рабочая полоса частот (72 МГц). Полосовой фильтр 6 необходим для предотвращения наложений спектра при дискретизации сигнала. Групповой сигнал с выхода полосового фильтра 6 поступает на усилитель схемы АРУ 7. Коэффициент усиления усилителя 7 регулируется управляющим напряжением, которое поступает с выхода ЦАП 10. Управляющий код на ЦАП 10 поступает с выхода цифрового детектора АРУ 9. С выхода усилителя 7 сигнал промежуточной частоты поступает на вход АЦП 8 (12 разрядов). Тактовый сигнал для АЦП 8 обеспечивает генератор 1. Аналого-цифровое преобразование выполняется с использованием субдискретизации с частотой выборок 186,66 МГц. Таким образом, частота дискретизации составляет 4/3 от промежуточной частоты сигнала. Это обеспечивает максимальную ширину рабочего диапазона частот и предотвращает наложение спектров при дискретизации. Дальнейшая обработка сигнала производится в цифровом виде.
С выхода АЦП 8 оцифрованный сигнал поступает на детектор АРУ 9 и преобразователь Гильберта 12, который формирует комплексный сигнал. На выходе преобразователя Гильберта 12 формируются сигналы комплексных квадратур и частота дискретизации понижается в два раза до 93, 3 МГц. Для дальнейшей обработки используется первый повтор спектра. При этом входной частоте 140 МГц соответствует частота 46,6 МГц. Расположение спектров входного и дискретизированного сигналов приведено на фиг.2.
Детектор АРУ 9 отслеживает максимальный уровень принимаемого сигнала. Это позволяет оптимально использовать динамический диапазон АЦП 8 и не допустить его перегрузки. Полученные сигналы квадратур подаются на N каналов демодуляции. Каждый канал демодулятора содержит комплексный квадратурный перемножитель 13, где они перемножаются с синусной и косинусной составляющими выходного сигнала синтезатора прямого синтеза 14, реализованного полностью в цифровой форме. Синтезатор 14 перестраивается в диапазоне от 10,6 МГц до 82,6 МГц, что соответствует полосе частот входного сигнала 140±36 МГц. Это позволяет обеспечить настройку на необходимый сигнал в диапазоне частот 140±36 МГц. Частота синтезатора 14 приблизительно задается по предварительному целеуказанию и с точностью до фазы подстраивается схемой восстановления несущей частоты 22. Выходные сигналы синфазного и квадратурного каналов подаются на децимирующие оптимальные полифазные фильтры с переменным коэффициентом децимации 15 и 16. Тактовый сигнал на полифазные фильтры 15, 16 поступает с синтезатора тактовой частоты 17, частота которого кратна тактовой частоте принимаемого сигнала и устанавливается по предварительному целеуказанию. В оптимальных полифазных фильтрах 15, 16 осуществляется передискретизация и децимация сигнала. В результате на выходе полифазных фильтров 15, 16 частота выборок равна удвоенной тактовой частоте сигнала. Сигналы квадратур с выходов полифазных фильтров 15, 16 поступают на схему цифровой АРУ, которая состоит из усилителей АРУ 18, 19 и детектора схемы АРУ 20. Схема АРУ необходима для поддержания уровня сигнала постоянным при изменении уровня соседних сигналов, так как первая АРУ 9, 10 отслеживает только среднюю мощность во всей полосе принимаемого сигнала. Вторая же схема АРУ 18, 19, 20 работает только по отфильтрованному полезному сигналу и отслеживает его мощность. С выходов усилителей АРУ 18, 19 сигналы квадратур поступают на схемы восстановления несущей 22 и тактовой 21 частот и на выход демодулятора.
По сравнению с прототипом предлагаемая схема при реализации требует существенно меньших аппаратных затрат. Так, вместо двух быстродействующих АЦП на канал достаточного одного АЦП 8 на все каналы демодуляции. Отпадает необходимость в установке отдельных аналоговых синтезаторов несущей и тактовой частот на каждом канале демодулятора. Макетирование показало, что для реализации преобразователя Гильберта достаточно ПЛИС XC2V250 фирмы Xilinx. Для реализации же каждого канала демодулятора достаточно ПЛИС XC2V1000. Становится возможным реализовать на одной плате стандарта Евромеханика (VME) до восьми каналов универсального демодулятора. При частоте дискретизации 186,6 МГц и промежуточной частоте 140 МГц, каждый
канал способен обрабатывать сигналы с модуляцией ФМ2, ФМ4, ФМ4С, ФМ8, КАМ16 с тактовыми частотами до 23,3 МГц в полосе несущих частот 72 МГц.