устройство восстановления несущей частоты сигналов шестнадцатипозиционной квадратурной амплитудной манипуляции
Классы МПК: | H04L27/22 схемы демодуляторов |
Автор(ы): | Пархоменко Н.Г., Боташев Б.М. |
Патентообладатель(и): | Государственное конструкторское бюро аппаратно-программных систем "Связь" Всероссийского НИИ "Градиент" |
Приоритеты: |
подача заявки:
2002-04-29 публикация патента:
27.07.2003 |
Изобретение относится к радиотехнике. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости восстановления несущей частоты сигнала шестнадцатипозиционной квадратурной амплитудной манипуляции (КАМ-16) за счет измерения входного отношения сигнал/шум Rвx и коммутации соответствующего измеренному значению Rвx фильтра петли фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ). Сущность изобретения состоит в том, что входной сигнал подвергают квадратурной корреляционной обработке, обрабатывают низкочастотные (НЧ) сигналы на выходах фазовых детекторов (ФД) и формируют управляющее напряжение для генератора, управляемого напряжением (ГУН), обрабатывают НЧ сигналы в блоках формирования счетных импульсов, формируют четные импульсы, подсчитывают текущее количество счетных импульсов за определенное число тактовых интервалов, производят оценку Rвx и в соответствии с полученным значением Rвx управляют коммутатором, направляющим управляющее напряжение для ГУН через соответствующий фильтр. 1 з.п. ф-лы, 2 ил, 1 табл.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
Формула изобретения
1. Устройство восстановления несущей частоты сигналов шестнадцатипозиционной квадратурной амплитудной манипуляции, содержащее первый и второй фазовые детекторы, первые входы которых объединены и являются входом устройства, второй вход первого фазового детектора соединен с выходом генератора, управляемого напряжением, и со входом фазовращателя на 90o, выход которого соединен со вторым входом второго фазового детектора, выход первого фазового детектора соединен со входом первого компаратора и вторыми входами первого и третьего сумматоров, выход которого соединен с первым входом первого перемножителя, выход которого соединен с первым входом пятого сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго перемножителя, первый вход которого соединен с выходом четвертого сумматора, второй вход которого соединен со вторым входом второго сумматора, входом второго компаратора и выходом второго фазового детектора, выходы первого и второго компараторов соединены с первыми входами, соответственно, первого и второго сумматоров, выходы которых соединены со входами, соответственно, третьего и четвертого компараторов, выходы которых соединены с первыми входами, соответственно, третьего и четвертого сумматоров, выходы первого и второго компараторов соединены со вторыми входами, соответственно, второго и первого перемножителей, отличающееся тем, что в него введены два блока формирования счетных импульсов, шестой сумматор, блок счета и сравнения, n фильтров и коммутатор, причем первые входы первого и второго блоков формирования счетных импульсов соединены с выходами, соответственно, первого и второго фазовых детекторов, вторые входы первого и второго блоков формирования счетных импульсов соединены с выходами, соответственно, первого и второго компараторов, третьи входы первого и второго блоков формирования счетных импульсов соединены с выходами, соответственно, третьего и четвертого компараторов, выходы первого и второго блоков формирования счетных импульсов соединены, соответственно, с первым и вторым входами шестого сумматора, выход которого соединен со входом блока счета и сравнения, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора, выход которого соединен со входом генератора, управляемого напряжением, n-й вход коммутатора соединен с выходом n-го фильтра, входы всех фильтров соединены с выходом пятого сумматора. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждый блок формирования счетных импульсов содержит первый и второй аттенюаторы, сумматор, многоуровневый компаратор, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый, второй и третий инверторы, первый и второй элементы И, элемент ИЛИ, причем первый вход блока формирования счетных импульсов соединен с первым входом первого сумматора, второй и третий входы которого соединены с выходами, соответственно, первого и второго аттенюаторов, входы которых являются, соответственно, вторым и третьим входами блока формирования счетных импульсов, выходом которого является выход элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый вход которого соединен со входом первого аттенюатора, а второй вход - с первым выходом многоуровневого компаратора, вход которого соединен с выходом первого сумматора, а второй выход - со вторым входом первого элемента И, первый вход которого соединен с первым входом второго элемента И и выходом первого инвертора, выходы второго и третьего инверторов соединены, соответственно, со вторым входом второго элемента И и третьим входом первого элемента И, третий вход второго элемента И соединен со входом второго аттенюатора, входы первого, второго и третьего инверторов соединены соответственно, с выходом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, вторым выходом многоуровневого компаратора и входом второго аттенюатора, выходы первого и второго элементов И соединены, соответственно, с вторым и третьим входом элемента ИЛИ.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при восстановлении несущей частоты сигналов шестнадцатипозиционной квадратурной амплитудной манипуляции (КАМ-16). Известно устройство для восстановления несущей частоты сигналов КАМ-16, содержащее генератор, управляемый напряжением, фазовращатель, два компаратора, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, сумматор. Выход генератора, управляемого напряжением, соединен со входом фазовращателя (см. А.С. 1830631, МКИ (5) H 04 L 27/06, опубл. в Б.И. 28, 30.07.93 г.) [1]. Недостатком известного устройства является его низкая помехоустойчивость, обусловленная невозможностью в нем оценивания входного отношения сигнал/шум (ОСШ) Rвx и, в соответствии с полученной оценкой, подключения (коммутации) соответствующего фильтра в петле ФАПЧ для оптимальной настройки параметров следящей системы. Как следует из теории, оптимальный по помехоустойчивости алгоритм восстановления несущей частоты сигналов КАМ в качестве одной из обязательных операций с сигналом должен предусматривать вычисление отношения сигнал/шум, по величине которого проводится оптимальная настройка на сигнал, в первую очередь, - изменение полосы фильтра петли фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Это связано с тем, что значение Rвx входного отношения сигнал/шум входит как параметр в функцию правдоподобия начальной фазы входного сигнала, которая собственно и оценивается при когерентном восстановлении несущей частоты амплитудно-фазоманипулированного сигнала (см. Куликов Е.И., Трифонов А.П. Оценка параметров сигналов на фоне помех. М.: Сов. радио, 1978. - 296с. ) [6, с.86-88]. Таким образом, вычисление входного отношения сигнал/шум является необходимой и обязательной процедурой при оптимальном восстановлении несущей частоты сигналов КАМ, а любые упрощения устройств субоптимальной обработки возможны лишь как предельные переходы при точно измеренном входном отношении R сигнал/шум. Так происходит, например, замена функций гиперболического тангенса th (R
1) Производят квадратурную корреляционную обработку входной смеси сигнала КАМ-16 с шумом. 2) Обрабатывают в соответствующих устройствах (компараторах, сумматорах и перемножителях) низкочастотные сигналы на выходах фазовых детекторов (ФД) и формируют управляющее напряжение для генератора, управляемого напряжением (ГУН). 3) Обрабатывают в блоках формирования счетных импульсов низкочастотные сигналы на выходах ФД, формируют счетные импульсы. 4) Подсчитывают текущее количество счетных импульсов за определенное число тактовых интервалов и производят оценку вx. 5) В соответствии со значением полученной оценки Rвx управляют коммутатором, который направляет управляющее напряжение для ГУН (полученное на операции 2) на вход ГУН через соответствующий фильтр (оптимальный для данного Rвx). Таким образом, путем коммутации оптимального (для измеренного Rвx) фильтра в петле ФАПЧ происходит оптимальная настройка устройства на сигнал, то есть достигается наивысшая помехоустойчивость. Это достигается тем, что устройство восстановления несущей частоты сигналов шестнадцатипозиционной квадратурной амплитудной манипуляции, содержащее первый и второй фазовые детекторы, первые входы которых объединены и являются входом устройства, второй вход первого фазового детектора соединен с выходом генератора, управляемого напряжением и со входом фазовращателя на 90o, выход которого соединен со вторым входом второго фазового детектора, выход первого фазового детектора соединен со входом первого компаратора и вторыми входами первого и третьего сумматоров, выход которого соединен с первым входом первого перемножителя, выход которого соединен с первым входом пятого сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго перемножителя, первый вход которого соединен с выходом четвертого сумматора, второй вход которого соединен со вторым входом второго сумматора, входом второго компаратора и выходом второго фазового детектора, выходы первого и второго компараторов соединены с первыми входами, соответственно, первого и второго сумматоров, выходы которых соединены со входами, соответственно, третьего и четвертого компараторов, выходы которых соединены с первыми входами, соответственно, третьего и четвертого сумматоров, выходы первого и второго компараторов соединены со вторыми входами, соответственно, второго и первого перемножителей. Согласно изобретению, в него введены два блока формирования счетных импульсов, шестой сумматор, блок счета и сравнения, n фильтров и коммутатор, причем первые входы первого и второго блоков формирования счетных импульсов соединены с выходами, соответственно, первого и второго фазовых детекторов, вторые входы первого и второго блоков формирования счетных импульсов соединены с выходами, соответственно, первого и второго компараторов, третьи входы первого и второго блоков формирования счетных импульсов соединены с выходами, соответственно, третьего и четвертого компараторов, выходы первого и второго блоков формирования счетных импульсов соединены, соответственно, с первым и вторым входами шестого сумматора, выход которого соединен со входом блока счета и сравнения, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора, выход которого соединен со входом генератора, управляемого напряжением, n-й вход коммутатора соединен с выходом n-го фильтра, входы всех фильтров соединены с выходом пятого сумматора. Каждый блок формирования счетных импульсов содержит первый и второй аттенюаторы, сумматор, многоуровневый компаратор, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый, второй и третий инверторы, первый и второй элементы И, элемент ИЛИ, причем первый вход блока формирования счетных импульсов соединен с первым входом первого сумматора, второй и третий входы которого соединены с выходами, соответственно, первого и второго аттенюаторов, входы которых являются, соответственно вторым и третьим входами блока формирования счетных импульсов, выходом которого является выход элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый вход которого соединен со входом первого аттенюатора, а второй вход - с первым выходом многоуровневого компаратора, вход которого соединен с выходом первого сумматора, а второй выход - со вторым входом первого элемента И, первый вход которого соединен с первым входом второго элемента И и выходом первого инвертора, выходы второго и третьего инверторов соединены, соответственно, со вторым входом второго элемента И и третьим входом первого элемента И, третий вход второго элемента И соединен со входом второго аттенюатора, входы первого, второго и третьего инверторов соединены, соответственно, с выходом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, вторым выходом многоуровневого компаратора и входом второго аттенюатора, выходы первого и второго элементов И соединены, соответственно, с вторым и третьим входом элемента ИЛИ. На фиг.1 приведена функциональная схема устройства восстановления несущей частоты сигналов шеснадцатипозиционной квадратурной амплитуды манипуляции. На фиг.2 приведена функциональная схема блока формирования счетных импульсов (БФСИ). В таблице 1 приведены сигнальные точки сигнала КАМ-16. Устройство содержит первый и второй фазовые детекторы (ФД) 1 и 2, первый-шестой сумматоры 3-8, первый-четвертый компараторы 9-12, первый и второй перемножители 13 и 14, фазовращатель 15 на 90o, генератор 16, управляемый напряжением, коммутатор 17, n фильтров 181-18n, первый и второй БФСИ 19 и 20, блок счета и сравнения (БСС) 21. Каждый БФСИ содержит первый и второй аттенюаторы 22 и 23, сумматор 24, многоуровневый компаратор 25, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 26, первый-третий инверторы 27-29, первый и второй элементы И 30 и 31, элемент ИЛИ 32. Коэффициент передачи по первым входам первого 3 и второго 4 сумматоров равен минус 1; по первым входам третьего 5 и четвертого 6 сумматоров равен минус 0,5; по первому входу пятого сумматора 7 равен минус 1; по второму и третьему входам сумматора 24 равен минус 1. Коэффициент ослабления первого аттенюатора 22 равен q (раз), коэффициенты ослабления второго аттенюатора 23 равен 2q (раз), т.е. коэффициенты передачи аттенюаторов 22 и 23 равны, соответственно,

Устройство работает следующим образом. На вход устройства поступает смесь сигнала КАМ-16 с шумом в следующем виде (см. например, Радиоэлектронные системы передачи информации/Под ред. В. В.Калмыкова. - М.: Радио и связь, 1990. - С. 97) [4]:
Sвx=Sкам+Sшум, (1)
Sкам = Uicos(


Sшум - аддитивный белый гауссовский шум;
i=1...6 - номер передаваемой сигнальной точки. В выражении (2) Ui и

а) предположим, что синхронизм в петле ФАПЧ достигнут;
б) предположим, что установившаяся статическая фазовая ошибка




При этом, если удается доказать, что на входе ГУН формируется напряжение, имеющее дискретную компоненту вида
xf(у

где х и у - некоторые коэффициенты;
f(z) - нечетная функция аргумента (z),
то тем самым доказывается возможность устройства осуществлять восстановление несущей частоты путем оценивания фазы

Sгун = cos(


Параметр


Sфв = sin(


Сигналы Sгун и Sфв, описываемые выражениями (4) и (5), являются опорными колебаниями для первого ФД1 и второго ФД2, поступая на их вторые входы. Учитывая выражения (1)-(4) для перемножаемых в ФД1 и ФД2 сигналов, получаем в первом приближении, что на выходах первого и второго ФД1 и ФД2 будут формироваться сигналы, соответственно


где SшумI и SшумQ - синфазная и квадратурная составляющие шумового процесса Sшум из (1). Учитывая, что в ФД1 и ФД2 происходит подавление компонент с частотой 2


Учтем, что каждая i-я сигнальная точка сигнала КАМ-16 располагается в узлах правильной квадратной решетки [4, с. 98]. При этом соотношение между номером




В выражениях (7) использовано эквивалентное (по отношению к таблице 1) представление информационных символов { I1, I2, I3, I4}i не в логическом базисе {0; 1}, а в базисе инверсных величин {-1; +1}. Учтем, что компараторы 9-12 реализуют знаковую функцию sign(x), описываемую выражением:

При малых углах

S7=(4+I1I3+I2I4)sin


где Sш - шумовой процесс. При

S7=(4+I1I3+I2I4)sin

Усредняя (10) по всем информационным символам, можно получить, что сигнал на выходе фильтра 18 (т.е., матожидание выражения (7) удовлетворяет условию (3), поскольку имеет вид
S18=4 sin

Итак после фильтрации S7 в соответствующем фильтре 18, на вход ГУН поступает сигнал вида 4 sin

cos(


где


Положим, что





Как в выражении (7.1), так и в выражении (12), I1 и I3 представляют собой полезный информационный сигнал на фоне шумовых компонент. Сравнивая (7) и (12), можно сделать вывод, что в выражении (12) отношение сигнал/шум R24 в общем случае меньше, чем в выражении (7.1), т.е. связано с Rвх соотношением:

Работа многоуровневого компаратора описывается следующим образом:


В приведенных выше системах неравенств S251 и S252 - сигналы, соответственно, на первом и втором выходах компаратора S25. Численное значение отношения сигнал/шум Rвx может быть при обработке сигнала КАМ-16 найдено как значение аргумента, удовлетворяющего условию
P=V(Rвx), (16)
где Р - вероятность ошибки на выходе демодулятора сигналов КАМ-16;
V - функция дополнения интеграла вероятности до единицы [5, с. 48]. Поскольку в устройстве восстановления несущей частоты решения о переданных символах на выходе демодулятора не принимаются (отсутствуют решающие устройства), то для определения Rвx можно воспользоваться тем фактором, что в реальных условиях любые устройства обработки имеют характеристики хуже, чем идеальные (гипотетические) схемы. В соответствии с этим и логикой работы компаратора 25 (см. выражения (14) и (15)) примем, что сигналы на втором и третьем входах БФСИ есть сигналы, полученные в некотором оптимальном случае, а сигналы на первом и втором выходах компаратора 25 являются аналогичными сигналами, получаемыми в условиях худшего отношения сигнал/шум (см. выражение (13)). Логические блоки 26-32 позволяют оценить степень несовпадений данных сигналов. При этом через первый вход элемента ИЛИ 32 на выходе БФСИ 19 формируется логическая единица всегда, когда есть отличие в сигналах, ответственных за символ I1 (т.е. в сигнале на выходе первого компаратора 9 и сигнале S251). Если такое отличие есть, то сравнение сигналов, ответственных за передачу символа I3, через инвертор 27 запрещается. Если же на выходе инвертора 27 присутствует логическая 1, то через блоки 28-31 и второй и третий входы ИЛИ 32, на выход БФСИ 19 проходит сигнал сравнения сигнала с выхода компаратора 11 и 252. Блок БФСИ 20 работает аналогично. После суммирования независимых результатов счета в сумматоре 8, результат поступает в блок БСС 21. Для того, чтобы значения счета были достоверными (с малой погрешностью), значение q выбирается достаточно близким к 1, например,

- считать, какое относительое количество времени L = T1/T

- сравнивать полученное значение с пороговыми величинами. Пороговые величины могут быть определены как расчетным, так и экспериментальным путем. Поскольку количество диапазонов значения L = T1/T




Измеряя в БСС конкретное значение L и сравнивая его со значениями L, определяющими границы диапазонов этого параметра, на выходе БСС формируют сигнал (адрес номера входа для коммутатора 17), который, поступая на адресный вход коммутатора 17, производит коммутацию (включение) нужного фильтра (в соответствии с системой неравенств (17)) в петле ФАПЧ. Таким образом в заявляемом устройстве достигается технический результат: повышение помехоустойчивости за счет включения в петле ФАПЧ фильтра с оптимальной полосой, соответствующей измеренному значению Rвx. Источники информации
1. А.С. 1830631, MKH (5) H 04 L 27/06, опубл. в Б.И. 28, 30.07.93 г.). 2. Патент RU 2019054, МПК (5) H 04 L 27/34, опубл. в Б.И. 16, 30.08.94 г.). 3. Патент RU 2019052, МПК (5) Н 04 L 27/22, опубл. в БИ 16, 30.08.94 г. - прототип. 4. Радиотехнические системы передачи информации /Под ред. В.В.Калмыкова. - М.: Радио и связь, 1990, с. 97. 5. Банкет В.Л., Дорофеев В.М. Цифровые методы в спутниковой связи. - М.: Радио и связь, 1988 г., с. 85-86. 6. Куликов Е.И., Трифонов А.П. Оценка параметров сигналов на фоне помех. - М.: Сов. радио, 1978. - 296с. 7. Боташев Б. М. , Пархоменко Н.Г. Оценивание фазы несущего колебания многопозиционных фазоманипулированных сигналов //Вопросы радиоэлектроники. Сер. Общие вопросы радиоэлектроники. - М.: НИИЭИР. - Вып. 17. - С. 78-81. 8. Стиффлер Дж.Дж. Теория синхронной связи. М.: Связь. 1975. 488с. 9. Пархоменко Н.Г. и др. Исследование схем восстановления несущей частоты сигналов квадратурной амплитудной манипуляции //Вопросы радиоэлектроники. - М.: НИИЭИР. - Вып. 17. - С. 65-76.
Класс H04L27/22 схемы демодуляторов