РАДИОПРИЕМНИК ДВОИЧНЫХ ЧАСТОТНОМАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ

Предлагаемая полезная модель относится к области радиотехники и может быть применена в радиоприемниках сигналов управления и связи.
Известен приемник двоичных частотноманипулированных (ЧМн) сигналов с последетекторной фильтрацией [1, стр.12, рис.9.13; 2, стр.230, рис 4.17; 3, стр.162, рис.11.4], содержащий антенну, входные цепи, усилитель радиочастоты, гетеродин, преобразователь частоты, два канальных узкополосных усилителя промежуточной частоты, два детектора огибающей, два фильтра нижних частот (ФНЧ), вычитающее (пороговое) устройство, решающее (декодирующее) устройство. В этом приемнике сигналы, соответствующие двоичной (или m - ичной) логике, разделяются канальными полосовыми фильтрами, детектируются нелинейными элементами, фильтруются подоптимальными ФНЧ, сравниваются в вычитающем (пороговом) устройстве, формирующем знак разности уровней сигналов на выходах ФНЧ в виде двоичной (или m - ичной) логики, разностный сигнал декодируется в решающем устройстве. Вышеописанная решающая схема является подоптимальной при обработке сигналов с неопределенной фазой, случайной средней частотой в канале с аддитивным белым шумом [4, стр.92, рис.2.16].
Недостатком известного радиоприемника с последетекторной фильтрацией является низкая помехоустойчивость радиоприема сигналов.
Помехоустойчивость приемника определяется отношением величины сигнал/шум на выходе вычитающего устройства к величине сигнал/шум на входе приемника в выбранной полосе частот. Помехоустойчивость зависит, в основном, от полос пропускания канальных фильтров и в значительной степени от полосы пропускания ФНЧ на выходе детекторов огибающей. При нелинейном преобразовании аддитивной смеси сигнала и шума на выходе детектора огибающей формируются постоянные и флуктуационные составляющие, зависящие от уровней сигнала и шума, а также от параметров нелинейного элемента (детектора). Например, в случае квадратичного детектора огибающей на его выходе имеем (с точностью до опущенного коэффициента пропорциональности):
где Uc, Uш обозначены условно напряжения сигнала и шума.
Первое и третье слагаемые (1) при гармоническом сигнале и узкополосном шуме дают на выходе (без учета вторых гармоник) постоянную составляющую сигнала и постоянную и низкочастотную флуктуационную составляющие шума; соответственно второе слагаемое дает низкочастотный шум. В известной схеме обработки полезной является постоянная составляющая сигнала. Второе и третье слагаемое полагаются «вредными», Поэтому, флуктационные составляющие от воздействия собственно шума и от перемножения сигнала с шумом (переноса шума в область низких частот) отфильтровываются канальными ФНЧ. Однако, из (1) видно, что второе слагаемое появляется лишь при наличии сигнала на входе детектора, т.е. эта флуктуационная составляющая также несет информацию о сигнале. Вопрос состоит в том, как выделить эту полезную составляющую, преобразовать ее и присовокупить к постоянной составляющей сигнала. В этом случае энергия выделенного сумарного сигнала возрастет.
Эту задачу можно решить путем замены последетекторного ФНЧ на среднеквадратический преобразователь (СКП). При этом быстродействие (полоса пропускания) ФНЧ и эквивалентного ему СКП должны быть одинаковыми при одной и той же скорости передачи/приема информации. Отличие работы СКП от ФНЧ заключается в том, что на выходе ФНЧ содержатся постоянная составляющая сигнала и части шумовых составляющих от перемножения шума с сигналом и с самим собой, прошедшие через ФНЧ, а на выходе СКП содержатся постоянная составляющая от сигнала и большей части произведения сигнал х шум (т.к. СКП измеряет эффективное напряжение суммарного процесса на его входе), а также части флуктуационных составляющих, аналогичные ФНЧ. В результате отношение сигнал/шум в схеме обработки с СКП увеличивается по сравнению со схемой обработки с ФНЧ.
Техническим результатом полезной модели является повышение помехоустойчивости приема двоичных (m - ичных) ЧМн сигналов в устройствах обработки аддитивной смеси сигнала и шума с последетекторной фильтрацией. Этот результат достигается тем, что в радиоприемном устройстве вместо фильтров НЧ применены среднеквадратические преобразователи.
На чертеже представлена электрическая функциональная схема предлагаемой полезной модели радиоприемного устройства, содержащего антенну 1, входные цепи 2, усилитель радиочастоты 3, преобразователь частоты 4, гетеродин 5, узкополосные усилители промежуточной частоты 6 и 7, детекторы огибающей 8 и 9, среднеквадратические преобразователи 10, 11; вычитающее (пороговое) устройство 12, решающее устройство 13.
Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками предлагаемого являются наличие последовательно соединенных антенны, входных цепей, усилителя радиочастоты и преобразователя частоты, при этом другой вход преобразователя частоты соединен с выходом гетеродина, двух каналов обработки двоичных сигналов, каждый из которых включает в себя узкополосный усилитель промежуточной частоты, детектор огибающей при этом входы канальных усилителей промежуточной частоты соединены с выходом преобразователя частоты, а также наличие последовательно соединенных вычитающего (порогового) устройства и решающего устройства, выход которого является выходом радиоприемника, причем выходы каналов обработки двоичных сигналов соединены с входами вычитающего (порогового) устройства.
вх
2
Заявленное устройство работает аналогично известным устройствам, в отличие от которых в нем в каждом канале обработки двоичных сигналов вместо фильтров низкой частоты применены среднеквадратические преобразователи. В результате отношение сигнал/шум на выходе вычитающего (порогового) устройства увеличивается. Действительно, отношение q  мощности сигнала к мощности шума на выходе. квадратичного детектора записывается в виде [5, стр.423, ф-ла 11. 43],
где  отношение мощности сигнала к мощности шума на входе детектора;
m
U - амплитуда гармонического сигнала;
1
σ - дисперсия шума.
С учетом дисперсии шума второго канала (в котором сигнал отсутствует) равной дисперсии шума первого канала, и фильтрации смеси сигнал + шум в фильтрах НЧ прототипа на выходе вычитающего устройства имеем:
где m - отношение эффективных полос пропускания узкополосного фильтра промежуточной частоты и фильтра НЧ на выходе детектора.
Для заявленного устройства на выходе СКП канала, где сигнал отсутствует, имеем:
где первые два слагаемых - постоянные составляющие, причем второе слагаемое - результат действия СКП, третье слагаемое - флуктуационная составляющая.
z
При использовании на входе квадратичного детектора одиночного колебательного контура автокорреляционная функция R(θ) низкочастотной части процесса на выходе квадратичного детектора определяется выражением:
где τ - время задержки в колебательном контуре;
Т - длительность сигнала.
Из последней формулы получим, что мощность процесса на выходе СКП в канале с присутствием сигнала и шума, будет характеризоваться выражением:
Первые пять слагаемых в этом выражении - постоянные составляющие, причем третье и четвертое слагаемые являются результатом действия СКП, два последних слагаемых - флуктуационные составляющие, прошедшие без обработки через СКП вследствие конечной инерционности СКП (не равной нулю полосы пропускания).
c
1
2
2
2
2
Напряжение сигнала на выходе СКП вычислим как приращение ΔU постоянной составляющей во втором канале относительно первого при условиях m >> 1 (иначе последетекторная фильтрация теряет смысл) и σ =σ =σ.
--
Флуктуационная составляющая на выходе вычитающего устройства определится суммарной дисперсией на его входе:
В результате для устройства с СКП получим:
вых
вх
вх
вых
Будем считать, что для обеспечения заданной вероятности правильного приема сообщения необходимо иметь q=10 ∂Б. Тогда при m=100 из (3) и (4) найдем, что при этом значение q на входе квадратичного детектора составит q=0,74 для прототипа и q=0,63 для приемника с СКП, т.е. помехоустойчивость приемника с СКП возрастает.
Экспериментальная проверка помехоустойчивости приемника с СКП, выполненным на базе логарифмирующего и антилогарифмирующего операционных усилителей по авт. свид - ву N 1275302, G01R 19/02, подтвердила возможность повышения помехоустойчивости приемника с СКП. Получено экспериментально повышение коэффициента помехоустойчивости приемника по напряжению на 15-20%.
Источники информации:
1. Буга Н.Н. и др. Радиоприемные устройства, М., "Радио и связь", 1986.
2. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений, М. "Сов. Радио", 1970.
3. Немировский М.С. Помехоустойчивость радиосвязи, М. "Энергия", 1966.
4. Коржик В.И. и др. Расчет помехоустойчивости систем передачи дискретных сообщений, М. "Радио и Связь", 1981.
5. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М., "Сов. Радио и связь", 1977.