УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕМОДУЛЯЦИИ ЧАСТОТНО-МАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ С НЕПРЕРЫВНОЙ ФАЗОЙ

Полезная модель относится к радиотехнике и может использоваться в устройствах с демодулятором Витерби для приема цифровой информации, передаваемой посредством частотной манипуляции сигналов с непрерывной фазой.
Известно устройство, содержащее адаптивную схему демодулятора, выполненную в виде блока восстановления синхронизации для восстановления данных синхронизации из модулированной несущей, адаптивный блок восстановления несущей, реагирующий на данные синхронизации для восстановления видеоинформации из несущей в различных форматах модуляции, и выбираемый ограничитель, содержащийся в адаптивном блоке восстановления несущей, для приложения набора порогов принятия решения к данным, обеспечиваемым адаптивным блоком восстановления несущей, для восстановления видеоинформации, причем, набор порогов принятия решения выбран из множества наборов порогов принятия решения, используемых для различных форматов модуляции, при этом, устройство содержит блок автоматической регулировки усиления, обеспечивающий выходной сигнал регулирования коэффициента усиления, как функцию разности между сигналом, полученным перед ограничителем, и сигналом, полученным после ограничителя, а блок восстановления синхронизации содержит управляемый фильтр нижних частот для компенсации изменений в излишней ширине полосы частот модулированной несущей [RU 2172566, С2, H04L 27/06, 10.01.2000].
Недостатком устройства является относительно низкая помехоустойчивость.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство, содержащее последовательно соединенные квадратурный демодулятор, фазовый детектор и последовательно соединенные схему усреднения и декодер, при этом, выход фазового детектора, предназначенного для вычисления абсолютных значений фазы сигнала на нулевой частоте, через дифференциатор соединен с входом фильтра нижних частот, выполненного в виде схемы усреднения, предназначенной для преобразования и усреднения производной фазы, другой вход которой предназначен для подачи стробирующих импульсов от схемы тактовой синхронизации, причем, декодер выполнен в виде декодера Витерби [RU 2308165, C1, H04L 27/233, 10.10.2007].
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно низкая помехоустойчивость.
Требуемый технический результат заключается в повышении помехоустойчивости.
Требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее демодулятор Витерби и первый фильтр нижних частот, введены последовательно соединенные блок модификации входной последовательности отсчетов, сигнальный вход которого является входом устройства, первый блок задержки, выход которого соединен с входом демодулятора Витерби, и второй блок задержки, первый дополнительный демодулятор Витерби, сигнальный вход которого соединен с выходом блока модификации входной последовательности отсчетов, второй дополнительный демодулятор Витерби, сигнальный вход которого соединен с выходом второго блока задержки, блок выбора максимума, вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, вход которого соединен с выходом демодулятора Витерби, а выход - соединен с управляющими входами первого и второго дополнительных демодуляторов Витерби, второй фильтр нижних частот, выход которого соединен с управляющим входом бока модификации входной последовательности отсчетов, и алгебраический сумматор, суммирующий вход которого соединен с выходом первого дополнительного демодулятора Витерби, вычитающий вход - соединен с выходом второго дополнительного демодулятора Витерби, а выход - соединен со входом второго фильтра нижних частот.
р
На чертеже представлены: на фиг.1 - функциональная схема устройства для демодуляции частотно-манипулированных сигналов с непрерывной фазой, на фиг.2 - многофазная решетка с параметром Δφ=π/4 для частотно-модулированного сигнала с минимальной модуляцией, на фиг.3 - зависимость максимальной вероятности ошибки от отношения сигнал/шум, на фиг.4 - динамика метрик решеток демодулятора сигнала, на фиг.5 - зависимость производных метрик решеток от временного смещения такта, на фиг.6 - дискриминационные характеристики различителя системы тактовой синхронизации, на фиг.7 динамика подстройки задержки и сигнал D подстройки, на фиг.8 - дискриминационные характеристики системы тактовой синхронизации по частоте.
Устройство для демодуляции частотно-манипулированных сигналов с непрерывной фазой (фиг.1) содержит демодулятор 1 Витерби и первый фильтр 2 нижних частот, а также последовательно соединенные блок 3 модификации входной последовательности отсчетов, сигнальный вход которого является входом устройства, первый блок 4 задержки, выход которого соединен с входом демодулятора 1 Витерби, и второй блок 5 задержки.
Кроме того, устройство для демодуляции частотно-манипулированных сигналов с непрерывной фазой содержит первый дополнительный демодулятор 6 Витерби, сигнальный вход которого соединен с выходом блока 3 модификации входной последовательности отсчетов, второй дополнительный демодулятор 7 Витерби, сигнальный вход которого соединен с выходом второго блока 5 задержки, а также блок 8 выбора максимума, вход которого соединен с выходом первого фильтра 2 нижних частот, вход которого соединен с выходом демодулятора 1 Витерби, а выход - соединен с управляющими входами первого 6 и второго 7 дополнительных демодуляторов Витерби.
Устройство для демодуляции частотно-манипулированных сигналов с непрерывной фазой содержит также второй фильтр 9 нижних частот, выход которого соединен с управляющим входом бока 3 модификации входной последовательности отсчетов, и алгебраический сумматор 10, суммирующий вход которого соединен с выходом первого дополнительного демодулятора 6 Витерби, вычитающий вход - соединен с выходом второго дополнительного демодулятора 7 Витерби, а выход - соединен со входом второго фильтра 9 нижних частот.
Устройство для демодуляции частотно-манипулированных сигналов с непрерывной фазой работает следующим образом.
Предварительно проведем теоретическое обоснование его работы.
Рассмотрим пример приема сигналов, модулированных с непрерывной фазой (МНФ). Сигналы МНФ обладают привлекательными спектральными и энергетическими характеристиками и с успехом применяются в системах спутниковой и мобильной связи. Эффективность использования частотной полосы достигается за счет сглаживания сигнала во временной области. В то же время, вследствие такого сглаживания, проявляется тенденция к уничтожению символьных переходов, что затрудняет синхронизацию приемных устройств.
Представим процесс на входе приемника в виде:
0
0
В этом выражении первое слагаемое описывает сигнал МНФ. Здесь Е - энергия сигнала на длительности тактового интервала Т, ω - круговая частота несущей, φ - случайная фаза сигнала, τ - задержка символьной синхронизации,  - информационная составляющая фазы сигнала, определяемая как
k
где h - индекс модуляции на k-м. тактовом интервале,  - последовательность переданных к моменту nТ символов, принадлежащих алфавиту -(М-1), -(М-3), …, -1, 1, …, (М-1), q(t) - функция фазового импульса. Второе слагаемое в выражении (1) n(t) - аддитивный белый гауссовский шум.
Функция g(t)=dq(f)/dt обычно называют частотным импульсом. Его длительность равна LT.
Рассмотрим двоичные сигналы с полным откликом (L=1), с прямоугольным частотным импульсом.
i
Задачей демодулятора сигналов МНФ, работающего по методу максимального правдоподобия, является поиск траектории на фазовой решетке, которая в наибольшей степени соответствующей переданной последовательности символов. Поиск может быть осуществлен по алгоритму Витерби. Алгоритм Витерби применим к сигналам МНФ с рациональным индексом модуляции h={p/q}, где i=1, …, К, К - количество индексов модуляции, циклически изменяющихся от символа к символу. Такие сигналы имеют фазовую решетку с конечным числом узлов и конечным числом возможных траекторий сигнала на длительности тактового интервала.
S
i
S
i
S
Общее количество узлов N на фазовой решетке может быть равным q или 2q. При этом действует правило: если «не все ρ, четны», то N=2q, если «все ρ четны», то N=q. Заметим, что обычно имеет место первый случай, ввиду того, что величина q, как правило, выбирается равной второй степени.
k
Для каждого узла фазовой решетки существует М ветвей входящих в узел и М ветвей выходящих из него. Вместе с тем, количество фазовых состояний Ф решетки в каждый момент времени t=kT равно q:
Назовем такую решетку базовой. Демодулятор с базовой фазовой решеткой способен когерентно принять сигнал, начальная фаза которого совпадает с фазовым состоянием любого из узлов решетки.
Демодулятор вычисляет корреляцию между принятым процессом и опорным колебанием s(t, φ) с некоторой начальной фазой φ:
р
Тогда оценку для  можно получить из условия максимума функции двух переменных . Поиск такого максимума может быть выполнен, если применить алгоритм Витерби ко всем значениям φ. С этой целью можно уплотнить базовую фазовую решетку демодулятора дополнительными фазовыми состояниями. Перейдем от рассмотрения непрерывной величины φ в (5) к множеству отдельных независимых фазовых решеток, равноотстоящих на величину Δφ. Назовем такую конфигурацию многофазной решеткой. При такой конфигурации возрастает вероятность совпадения реальной фазовой траектории сигнала с одной из решеток, составляющих многофазную решетку, т.е. обеспечивается самосинхронизация алгоритма по фазе. Выбор решетки, в соответствии с которой принимается решение на выходе алгоритма Витерби, осуществляется по наибольшему из значений корреляционных интегралов (5) всех решеток.
р
Для получения информации, пригодной для синхронизации демодулятора Витерби, предлагается использовать различитель времени задержки, содержащий два дополнительных боковых канала обработки, образованных временным сдвигом принимаемого сигнала относительно сигнала в основном канале на +τ и -τ. Анализ показал, что информация о временном смещении ΔT тактовых сеток сигнала и демодулятора заключена в величине скорости изменения метрик решеток, т.е. в производной метрик по времени dA/dt. Такие зависимости показаны на фиг.5 для решеток с разными сдвигами Δφ.
Изложенный принцип работы устройства для демодуляции частотно-манипулированных сигналов с непрерывной фазой, позволяющий повысить его помехоустойчивость, реализуется следующим образом.
р
макс
Центральный канал, которому соответствует демодулятор 1 Витерби (фиг.1) принимающий решение относительно декодируемой последовательности отсчетов, содержит многофазовую решетку. Каждый из боковых каналов, образованные первым 6 и вторым 7 дополнительными демодуляторами Витерби, содержит только одну решетку из набора многофазной решетки. Ее фазовый сдвиг устанавливается равным фазовому сдвигу той из решеток центрального канала, у которой в текущий момент времени производная метрики максимальна и с которой снимается поток принятых информационных символов. Это определяется в блоке 8 выбора максимума простым сравнением вычисляемых в нем производных метрик решеток. Разность сигналов боковых каналов образует управляющий сигнал для подстройки через второй фильтр 9 нижних частот потока входных отсчетов МНФ, т.е. осуществляется подстройка тактовой синхронизации устройства. Эту функцию выполняет блок 3 модификации входной последовательности отсчетов, который выполняет модификацию потока либо добавлением (повторением предыдущего отсчета), либо удалением отсчета из потока. Для повышения помехоустойчивости в устройстве используются первый 2 и второй 9 фильтры нижних частот, реализованные как интеграторы с буферами длиной d и установленные перед блоком 8 выбора максимума Δφ| и перед блоком 3 модификации входной последовательности отсчетов, который манипулирует потоком отсчетов.
На фиг.6 показаны экспериментально снятые дискриминационные характеристики. D(ΔТ) различителя системы тактовой синхронизации в интервале задержек сигнала ΔT от -772 до +772 для разных величин d.
Динамика поведения системы - траектория ΔТ(m) подстройки задержки тактовых моментов сигнала в дискретные моменты m - показана на фиг.7. Из его рассмотрения следует, что в устройстве «отрабатывается» задержка входного сигнала 0,5 Т за счет подстройки задержки тактовых моментов на основании сигнала подстройки D(m) с выхода второго фильтра 9 нижних частот.
T
T0
Экспериментально снятые дискриминационные характеристики устройства по тактовой частоте U(f/f), полученные моделированием замкнутой системы, представлены на фиг.8. Они даны для трех значений длины d буферов первого 2 и второго 9 фильтров нижних частот. Оценка относительной полосы удержания разработанной системы тактовой синхронизации дает величину около 2,5%.
р
Для исследования помехоустойчивости предложенного устройства была промоделирована работа демодулятора Витерби с многофазной решеткой при подаче на его вход сигналов с различными начальными фазами. Моделирование проводилось для сигналов МНФ с постоянным (сигнал МЧМ, h=1/2) и циклически изменяющимся индексом модуляции (h=2/4, 3/4) со следующими параметрами оцифровки: количество отсчетов на тактовый интервал - 8, разрядность - 8 бит. Глубина анализа сигнала демодулятором по алгоритму Витерби в первом случае составляла 2T, во втором - 4T. Для сравнения исследовались следующие конфигурации демодуляторов: с базовой решеткой и с Δφ=π/4, π/8, π/16.
р
р
Получены зависимости вероятности ошибки от отношения сигнал/шум для различных значений начальной фазы сигналов. Установлено, что вероятность ошибки симметрично увеличивается при отклонении реальной фазовой траектории сигнала от ближайшей решетки и достигает максимума при среднем положении между смежными решетками. На фиг.3 представлены графики помехоустойчивости демодуляторов сигналов минимальной частотной модуляции (а) и ЦИИМ (б) с различными Δφ при максимальных значениях вероятности ошибки (кривые 1-4). Кривая 5 соответствует когерентному приему сигнала. Из графиков видно, что с уменьшением Δφ в демодуляторе вероятность ошибки при приеме сигнала с неизвестной начальной фазой стремится к кривой когерентного приема.
р
Таким образом, если для демодулятора с одной лишь базовой решеткой ухудшение помехоустойчивости при смещении начальной фазы сигнала по сравнению с когерентным приемом значительно, то для демодулятора с Δφ=π/16 ухудшения практически не наблюдается.
р
k
k
Синхронизация по фазе в предложенной конфигурации демодулятора с многофазной решеткой является его внутренним свойством, поэтому представляется интересным изучение вопроса об устойчивости демодулятора к флуктуациям фазы принимаемого сигнала. На фиг.5 показана динамика метрик на примере демодулятора сигнала ЦИИМ (2/4, 3/4) с многофазной решеткой Δφ=π/16 при возникновении мгновенного скачка фазы на π/8, который происходит в дискретный момент m=1000 на графике. Метрики решеток приведены к максимальному значению и нормированы. Здесь номер кривой i обозначает фазовый сдвиг Δφ=iπ/16 отдельной решетки в составе демодулятора относительно базовой. Поясним поведение демодулятора по этим графикам. На этапе приема до момента m=1000 сигнал поступает на вход демодулятора с нулевой начальной фазой. Метрики отдельных решеток группируются по расстоянию между их фазовыми состояниями и фазой принимаемого сигнала. Чем больше это расстояние, тем меньше величины вычисляемых по алгоритму Витерби метрик. Решетка с Δφ=0 (кривая 0) становится доминирующей, поскольку в ней присутствует фазовое состояние Ф=0. В момент m=1000 фаза принимаемого сигнала получает приращение на π/8, и метрики решеток перераспределяются в соответствии с новой фазой сигнала. В силу накопительного свойства метрик в алгоритме Витерби переключение демодулятора с одной решетки на другую не происходит мгновенно, и на некотором промежутке времени доминирующей может стать решетка не вполне соответствующая, но достаточно близкая по фазе с принимаемым сигналом (кривая 1). В конце переходного периода относительное изменение метрик решеток стабилизируется и доминирующей становится решетка с фазовым состоянием Ф=π/8 (кривая 2). Таким образом, обеспечивается захват сигнала «правильной» решеткой демодулятора.
Таким образом, благодаря усовершенствованию известного устройства существенно повышается его помехоустойчивость, что позволяет достигнуть требуемого технического результата.