ЦИФРОВОЙ ДЕМОДУЛЯТОР РАДИОИМПУЛЬСОВ (ВАРИАНТЫ)
DIGITAL RADIO PULSE DEMODULATOR (OPTIONS)

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для применения в радиоприемных устройствах с цифровой обработкой сигналов, принимающих радиоимпульсы и относящихся к классу устройств, работающих с когерентными выборками.
Одним из первых устройств, в котором была реализована идея взятия отсчета в момент появления максимума полуволны, можно считать демодулятор [А.с. СССР №543154. Опубл. 16.02.1977], где в качестве аналого-цифрового преобразователя (АЦП) был применен преобразователь типа «амплитуда-время». На выходе устройства формировались временные интервалы, пропорциональные амплитуде входного сигнала, причем момент преобразования определялся путем сдвига по фазе входного сигнала таким образом, чтобы полученные из входного синусоидального сигнала импульсы совпадали по времени с моментами появления максимальных значений в пределах периода сигнала. К сожалению, основным недостатком демодулятора был этап сдвига фазы. Аналоговый фазовращатель, который должен был сдвигать в предложенном устройстве сигнал на четверть периода, не мог обеспечить высокой точности соблюдения заданных фазовременных соотношений как по причине нестабильности характеристик, зависящих от температуры и напряжения питания, так и наличия связи между вносимым фазовым сдвигом в сигнал и его частотой.
Позже было предложено устройство [А.с. СССР №1417183. Опубл. 15.08.1988], содержащее классический АЦП с получением на выходе двоичного кода, соответствующего мгновенному значению входного сигнала. В данном устройстве моменты взятия отсчетов определяются введенным в структуру «фиксатором экстремальных значений», предназначенным для выделения максимумов, от которого в значительной степени зависят характеристики подобного демодулятора. На вход АЦП подаются модулированные по амплитуде импульсы, полученные путем перемножения входного синусоидального сигнала со строб-импульсами, положение которых во времени определяется результатом (качеством) функционирования «фиксатора экстремальных значений». Однако в упомянутой работе его внутреннее содержание не раскрывалось ни на схемотехническом уровне, ни на алгоритмическом. Это обстоятельство не позволяет однозначно оценить возможности демодулятора, предоставляя исследователю лишь информацию общего характера. В тот же период времени был получен патент [Патент Японии №JPS6125387. Опубл. 04.02.1986] на демодулятор, в котором для повышения точности взятия отсчетов в моменты максимума полуволн введена схема фазовой автоподстройки частоты, управляющая частотой генератора импульсов, служащего для тактирования аналого-цифрового преобразователя. Во время работы контура фазовой автоподстройки частоты происходит сравнение входного клиппированного сигнала с сигналом, вырабатываемым упомянутым генератором импульсов, и подстройка его частоты под частоту входного сигнала. Полученные на выходе управляемого генератора импульсы дополнительно сдвигаются по фазе на 90°, что необходимо для совмещения их фронтов с максимумами синусоиды, после чего подаются на тактовый вход аналого-цифрового преобразователя. Такое решение позволяет получить цифровой демодулятор, работающий в широком диапазоне частот и не требующий при этом высокоскоростного аналого-цифрового преобразователя. Однако такая схема относительно сложна как в алгоритмическом смысле, так и в схемотехническом.
Через несколько лет было опубликовано описание демодулятора [А.с. СССР №1742985. Опубл. 23.06.1992], который можно считать наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложенным устройствам и в котором принцип взятия когерентных выборок показан с достаточной полнотой (прототип). Демодулятор содержит АЦП, выходной триггер и блок формирования управляющих импульсов, представляющий собой схему, содержащую аналоговый компаратор (формирователь импульсов) и ряд цифровых устройств, выполняющих в совокупности функции формирователя временных интервалов, выход которого соединен с тактовым входом выходного триггера, вход - с выходом формирователя импульсов, а вход формирователя импульсов является входом демодулятора, выходом которого является выход выходного триггера, информационный вход АЦП объединен со входом формирователя импульсов.
АЦП демодулятора-прототипа тактируется с частотой, задаваемой встроенным генератором тактовых импульсов, существенно превышающей частоту взятия отсчетов, однако на выход устройства поступают не все оцифрованные значения, а только те, которые соответствуют максимумам. Для определения положения максимума синусоиды в формирователе временных интервалов предусмотрен счетчик тактовых импульсов, служащий для измерения длительности полуволны демодулируемого сигнала. Это позволяет по предварительно найденному полупериоду оценивать положение максимального мгновенного значения сигнала в пределах выбранного периода. В полученные таким образом моменты времени вырабатываются синхроимпульсы, служащие для вывода на выход демодулятора отсчетов входного сигнала, несущих информацию о его амплитуде. Демодулятор относительно прост, надежен и легко реализуется в микроэлектронном исполнении, так как основная часть операций выполняется в цифровом виде.
Однако при всех своих достоинствах демодулятор обладает таким существенным недостатком, как отсутствие связи между меняющейся несущей частотой принимаемого сигнала и моментом взятия выборки, которая должна соответствовать максимуму независимо от его частоты. Недостаток является сугубо методическим и не позволяет применять демодулятор в ситуациях, когда возможно изменение частоты принимаемого сигнала, так как в этом случае будет получен результат с ошибкой, обусловленной некорректным применением алгоритма демодуляции.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит главным образом в расширении функциональных возможностей демодулятора за счет возможности демодуляции сигналов с различной частотой несущего колебания.
Технический результат по первому варианту достигается тем, что в цифровой демодулятор радиоимпульсов, содержащий аналого-цифровой преобразователь, формирователь импульсов и первый формирователь временных интервалов, вход формирователя импульсов объединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя и подключен к сигнальному входу демодулятора, согласно изобретению введены второй формирователь временных интервалов, блок выделения сигнала, логический элемент 2И и логический элемент 3ИЛИ, выход которого соединен с тактовым входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого является выходом демодулятора, с сигнальным входом которого объединен вход блока выделения сигнала, к выходу которого подключены первые входы формирователей временных интервалов и первый вход элемента 2И, второй вход которого объединен со вторыми входами формирователей временных интервалов и является тактовым входом демодулятора, третий вход первого формирователя временных интервалов соединен с прямым выходом формирователя импульсов, третий вход второго формирователя временных интервалов соединен с инверсным выходом формирователя импульсов, выходы формирователей временных интервалов подключены к первым двум входам элемента 3ИЛИ, третий вход которого соединен с выходом элемента 2И.
Технический результат по второму варианту достигается тем, что в цифровой демодулятор радиоимпульсов, содержащий аналого-цифровой преобразователь, формирователь импульсов и формирователь временных интервалов, вход формирователя импульсов объединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя и подключен к сигнальному входу демодулятора, согласно изобретению введены блок выделения сигнала, логический элемент 2И и логический элемент 2ИЛИ, выход которого соединен с тактовым входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого является выходом демодулятора, с сигнальным входом которого объединен вход блока выделения сигнала, к выходу которого подключены первый вход формирователя временных интервалов и первый вход элемента 2И, второй вход которого объединен со вторым входом формирователя временных интервалов и является тактовым входом демодулятора, третий вход первого формирователя временных интервалов соединен с выходом формирователя импульсов, выход формирователя временных интервалов подключен к первому входу элемента 2ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом элемента 2И.
Технический результат по третьему варианту достигается тем, что в цифровой демодулятор радиоимпульсов, содержащий формирователь импульсов и первый формирователь временных интервалов, вход формирователя импульсов подключен к сигнальному входу демодулятора, согласно изобретению введены устройство выборки-хранения, второй формирователь временных интервалов, блок выделения сигнала, логический элемент 2И и логический элемент 3ИЛИ, выход которого соединен с тактовым входом устройства выборки-хранения, выход которого является выходом демодулятора, с сигнальным входом которого объединены сигнальный вход устройства выборки хранения и вход блока выделения сигнала, к выходу которого подключены первые входы формирователей временных интервалов и первый вход элемента 2И, второй вход которого объединен со вторыми входами формирователей временных интервалов и является тактовым входом демодулятора, третий вход первого формирователя временных интервалов соединен с прямым выходом формирователя импульсов, третий вход второго формирователя временных интервалов соединен с инверсным выходом формирователя импульсов, выходы формирователей временных интервалов подключены к первым двум входам элемента 3ИЛИ, третий вход которого соединен с выходом элемента 2И.
Технический результат достигается также тем, что формирователь импульсов представляет собой устройство, формирующее импульсы, длительность которых равна периоду входного синусоидального сигнала, привязанные к началу положительной полуволны сигнала.
Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На фиг. 1 показана функциональная схема первого варианта демодулятора, на фиг. 2 - функциональная схема формирователя временных интервалов. На фиг. 3 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип действия демодулятора. На фиг. 4 показана функциональная схема блока выделения сигнала. На фиг. 5 представлены временные диаграммы входного и выходного сигналов демодулятора. На фиг. 6 показана функциональная схема второго варианта демодулятора.
Функциональная схема по фиг. 1 содержит формирователь 1 импульсов, формирователи 2, 3 временных интервалов, блок 4 выделения сигнала, АЦП 5, логический элементы 3ИЛИ 6 и 2И 7. Вход формирователя 1 импульсов объединен с информационным входом АЦП 5, с входом блока 4 и подключен к сигнальному входу демодулятора, выходом которого является выход АЦП 5, тактовый вход которого соединен с выходом элемента 3ИЛИ 6, к выходу RST блока 4 подключены первые входы (RST) формирователей 2, 3 временных интервалов и первый вход элемента 2И 7, второй вход которого объединен со вторыми входами (CLK) формирователей 2, 3 временных интервалов и является тактовым входом CLK демодулятора, третий вход (S) формирователя 2 соединен с прямым выходом формирователя 1 импульсов, третий вход (S) формирователя 3 соединен с инверсным выходом формирователя 1 импульсов, выходы формирователей 2, 3 временных интервалов подключены к первым двум входам элемента 3ИЛИ 6, третий вход которого соединен с выходом элемента 2И 7.
Функциональная схема по фиг. 2 содержит делитель 8 частоты, триггер 9, элементы 2И 10, 11, 12 и реверсивный счетчик 13. Сигнальным входом S формирователя временных интервалов является D-вход триггера 9 и первый вход элемента 2И 11, выход которого соединен со входом прямого счета CU (суммирующий вход) счетчика 13, а выход элемента 2И 12 - со входом обратного счета CD (вычитающий вход) счетчика 13, обнуляющий вход которого объединен с первым входом элемента 2И 10 и составляет обнуляющий вход RST формирователя, выход элемента 2И 10 соединен с обнуляющим входом триггера 9, выход которого соединен с первым входом элемента 2И 12, второй вход которого объединен со входом делителя 8 и составляет тактовый вход CLK формирователя временных интервалов, выход делителя 8 соединен со вторым входом элемента 2И 11, выходом формирователя является выход переноса обратного счета PD счетчика 13, с которым соединен второй вход элемента 2И 10.
Временные диаграммы по фиг. 3 содержат входной u(t) синусоидальный сигнал с периодом Т и амплитудой U, импульсы S на выходе формирователя 1 импульсов, импульс Q на выходе внутреннего триггера 9 формирователя временных интервалов, импульсы счета CU и CD на соответствующих входах реверсивного счетчика 13 и импульс переноса обратного счета C(PD) на выходе счетчика 13 - выходе формирователя временных интервалов.
1
2
Функциональная схема по фиг. 4 содержит два аналоговых компаратора 14, 15, элемент 2ИЛИ 16, элемент 17 задержки и элемент 2 ИЛИ-НЕ 18, выход которого является выходом RST блока выделения сигнала, входом которого служат объединенные положительный и отрицательный входы компараторов 14, 15 соответственно, выходы которых подключены ко входам элемента 2ИЛИ 16, выход которого соединен со входами элемента 2ИЛИ 18, непосредственно и через элемент 17 задержки, отрицательный и положительный входы компараторов 14, 15 соответственно являются входами пороговых уровней U U.
вх
вых
Временные диаграммы по фиг. 5 содержат, в качестве примера, входной сигнал демодулятора U, выходной сигнал U и короткие импульсы выборок, расположенные в верхней части графика.
Функциональная схема по фиг. 6 содержит формирователь 19 импульсов, формирователь 20 временных интервалов, блок 21 выделения сигнала, логические элементы 2И 22, 2ИЛИ 23 и АЦП 24. Вход формирователя 19 импульсов объединен с информационным входом АЦП 24, с входом блока 21 и подключен к сигнальному входу демодулятора, выходом которого является выход АЦП 24, тактовый вход которого соединен с выходом элемента 2ИЛИ 23, к выходу RST блока 21 подключен первый вход формирователя 20 временных интервалов и первый вход элемента 2И 22, второй вход которого объединен со вторым входом формирователя 20 временных интервалов и является тактовым входом CLK демодулятора, третий вход формирователя 20 соединен с выходом формирователя 19 импульсов, выход формирователя 20 временных интервалов подключен к первому входу элемента 2ИЛИ 23, второй вход которого соединен с выходом элемента 2И 22.
Работает демодулятор радиоимпульсов следующим образом.
Радиосигнал, представляющий собой модулированное несущее колебание, подается одновременно на входы формирователя 1 импульсов, блока 4 выделения сигнала и АЦП 5 (см. фиг. 1). В формирователе 1 происходит клиппирование синусоидальной несущей и формирование импульсов длительностью, равной периоду Т несущего колебания, после чего импульсы прямые и проинвертированные поступают на сигнальные входы формирователей 2 и 3 соответственно. Назначением последних является формирование временных интервалов Т/4, привязанных к окончанию периода входного сигнала, по завершению которых вырабатываются короткие импульсы выборки, подаваемые на вход АЦП 5. Указанные формирователи временных интервалов работают поочередно, потактно: во время первого периода значение Г измеряет верхний по схеме формирователь 2, во время второго периода - нижний по схеме формирователь 3 (формирователь 2 в это время непосредственно формирует временной интервал Т/4), далее, во время действия третьего периода, значение Т измеряет верхний по схеме формирователь 2 (формирователь 3 в это время непосредственно формирует следующий временной интервал Т/4) и т.д. По окончании формирования временных интервалов на выходах формирователей 2, 3 поочередно с периодом Т вырабатываются импульсы когерентных выборок, подаваемые через элемент ИЛИ 6 на тактовый вход АЦП 5, в результате последний оцифровывает и запоминает отсчет напряжения u(t), соответствующий амплитуде синусоиды, оценку U* которой можно представить в виде
где n - номер периода, в котором берется выборка (n=1, 2, 3…);
xn
Δt - погрешность определения момента взятия конкретного n-го отсчета.
Для работы формирователей 2, 3 используются внешние тактовые импульсы CLK, частота которых задает точность определения амплитуды демодулируемого сигнала.
Разрешает работу формирователей 2, 3 и собственно сам процесс демодуляции блок 4 выделения сигнала, на выходе RST которого присутствует высокий логический уровень (запрещающий уровень) при отсутствии входного сигнала. При появлении входного сигнала запрещающий уровень снимается и запускается вышеописанный процесс взятия когерентных выборок. Кроме того, при отсутствии сигнала или его внезапном пропадании во избежание хранения на выходе АЦП 5 последнего отсчета, через элементы 2И 7 и 3ИЛИ 6 на тактовый вход АЦП 5 подаются импульсы CLK, позволяющие перевести выход АЦП 5 в корректное состояние, соответствующее отсутствующему входном сигналу.
Основу цифрового демодулятора составляют идентичные формирователи временных интервалов, работа которых рассматривается на примере, показанном на фиг. 2. Здесь приведена схема одного из возможных вариантов их реализации, при разработке которой основной целью являлось максимальное упрощение формирователя для снижения вносимых им задержек. При поступлении на сигнальный вход S импульсов и наличии разрешающего низкого логического уровня на входе RST, реверсивный счетчик 13 начинает счет тактовых импульсов, поступающих на его суммирующий вход CU. По окончании счета с прекращением действия входного импульса суммирование прекращается, по отрицательному фронту входного импульса триггер 9 переходит в состояние высокого логического уровня на выходе и счетные импульсы направляются на вычитающий вход CD счетчика 13. Принцип действия формирователя иллюстрируется временными диаграммами (см. фиг. 3), из которых несложно видеть, что с окончанием действия входного импульса длительностью Т, начинается процесс формирования временного интервала Т/4 путем отсчета тактовых импульсов, уменьшающих содержимое счетчика 13 до момента его обнуления и появления на выходе переноса PD короткого импульса, играющего роль импульса выборки, момент появления которого совпадает с моментом достижения синусоидой максимума. Обеспечить формирование временного интервала, уменьшенного в четыре раза по сравнению с измеренным периодом Т, можно увеличив в пропорциональное число раз частоту следования тактовых импульсов, подаваемых на вычитающий вход счетчика 13 по сравнению с частотой следования тактовых импульсов, подаваемых на суммирующий вход счетчика 13. Для этой цели в схеме (см. фиг. 2) предусмотрен делитель 8 частоты, позволяющий получить тактовую последовательность с уменьшенной в 4 раза частотой, необходимой для измерения Т. После появления импульса на выходе PD счетчика 13, триггер 9 возвращается в исходное состояние и формирователь переходит в режим ожидания следующего входного импульса.
1
2
1
2
1
2
Алгоритм работы блока 4 выделения сигнала должен предусматривать оценку наличия или отсутствия входного сигнала без задержек, способных повлиять на появление недопустимых искажений длительностей радиоимпульсов. Схема, реализующая подобный алгоритм, приведена на фиг. 4. Работу схемы несложно понять, если допустить, что пороговые уровни U=U=0. В этом случае на входы элемента ИЛИ 16 будут поочередно поступать импульсы с выходов компараторов 14, 15: с выхода компаратора 14 при положительной полуволне, с выхода компаратора 15 - при отрицательной. Если пренебречь задержками срабатывания компараторов и последующей логики, то на выходе элемента ИЛИ-НЕ 18 будет низкий логический уровень, если на входе блока будет присутствовать сигнал u(t), отличный от нуля. В рассматриваемом демодуляторе уровень логического нуля на выходе RST блока 4 является разрешающим. В реальности для выделения полезного сигнала потребуется задать некоторый пороговый уровень, возвышающийся над шумами, то есть U>0 и U<0 (причем |U|=|U|). При таком распределении пороговых уровней длительности импульсов на выходе элемента ИЛИ 16 будут меньше длительностей полуволн входного сигнала и, следовательно, между импульсами образованной последовательности будут короткие паузы. Для устранения пауз и формирования постоянного уровня в схему введен элемент 17 задержки, сдвигающий последовательность импульсов с выхода элемента ИЛИ 16 на время, несколько превышающее размер пауз, но меньшее длительностей импульсов. При объединении двух указанных последовательностей по логической схеме ИЛИ, на выходе последней будет получен постоянный уровень, действующий в течение времени нахождения сигнала над заданными порогами.
x
На фиг. 5 показан пример работы модели демодулятора в виде результата выделения огибающей сигнала, полученного путем модуляции несущего колебания частотой 70 Гц последовательностью прямоугольных импульсов со скважностью, равной двум, длительностью 50 мс и следующих с частотой 10 Гц; глубина модуляции составляла около 85%. В верхней части графика показаны импульсы выборки, поступающие на вход АЦП с выходов формирователей временных интервалов (см. фиг. 1). Тактовая частота импульсов CLK в данном случае составляла 20 кГц (Δt=50 мкс). Выходным сигналом является напряжение, полученное на выходе 12-разрядного АЦП, представленное на графике, для удобства восприятия, в виде непрерывных значений после обратного преобразования в 12-разрядном ЦАП.
Одним из вариантов цифрового демодулятора может быть упрощенное устройство, схема которого представлена на фиг. 6. Основное отличие от ранее рассмотренного демодулятора заключается в применении только одного формирователя временных интервалов и, следовательно, в однотактном определении амплитуды несущего колебания. Назначение составных частей демодулятора то же, что и в устройстве по фиг. 1. Однако наличие только одного формирователя 20 временных интервалов, при сохранении прежним принципа его действия, изменяет скорость обновления отсчетов (взятия когерентных выборок). В данном случае на тактовый вход АЦП 24 импульсы выборки поступают не в каждый период, как в устройстве по фиг. 1, а через период, поскольку в течение условно взятого первого периода происходит его оценка, а в течение второго - формирование временного интервала для определения положения импульса выборки и взятие самой выборки. Таким образом, импульсы выборки с выхода элемента ИЛИ 23 на тактовый вход АЦП 24 поступают через период, что приводит к снижению скорости обновления информации на выходе АЦП 24 в два раза по сравнению с демодулятором по первому варианту.
Отметим, что если не требуется получения на выходе демодулятора цифрового кода огибающей, то вместо АЦП, в представленных на фиг. 1 и фиг. 6 схемах, следует использовать устройства выборки-хранения, при сохранении неизменными остальных связей и блоков (см. п. 5 Формулы изобретения). В этом случае на выходе демодулятора будет получен аналоговый сигнал, повторяющий огибающую входных радиоимпульсов, подобно тому, как это показано в нижней части графика по фиг. 5. При этом принцип действия демодулятора остается прежним за исключением особенностей представления выходного сигнала, обусловленных заменой АЦП на устройство выборки-хранения (в общем случае устройство выборки-хранения подключают по той же схеме, что и АЦП).
Формирователь 1 (19) импульсов представляет собой устройство клиппирования знакопеременных сигналов, которое может быть реализовано по одной из схем, описанных в [Пат. RU №2601829. Опубл. 10.11.2016, Пат. RU №2607934. Опубл. 10.01.2017]. При этом для получения на выходе такого устройства импульсов с длительностями равными периоду входного сигнала, его следует дополнить счетным триггером, осуществляющим деление на 2. Выход клиппирующего устройства следует подключить ко входу счетного триггера, выходы которого (прямой и инверсный) будут являться выходами формирователя импульсов.