ЦИФРОВОЙ ПРИЕМНИК ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ С "ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ФАЗОЙ" Российский патент 1995 года по МПК H04L27/22 

Изобретение относится к электросвязи и может использоваться для приема дискретных сигналов, передаваемых по каналам связи со скоростью 2400 бит/с.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является цифровое устройство приема сигналов, содержащее блок вычисления ошибок, усилитель с АРУ, фазовращатель АЦП, адаптивный корректор, блок регулирования уровня, блок демодуляции и компенсации фазы, решающий блок и декодер.

Недостатком приемника цифрового адаптивного устройства преобразования сигналов является невозможность когерентного приема дискретных сигналов с "вращающейся фазой", используемых при передаче данных на скорости 2400 бит/с.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей при работе на скорости 2400 бит/с.

На фиг.1 изображена структурная электрическая схема цифрового приемника; на фиг. 2 схема блока выделения синхросигналов; на фиг.3 схема блока выделения тактовой частоты; на фиг.4а и б схемы коммутации несущей и фазового манипулятора соответственно.

Цифровой приемник дискретных сигналов с "вращающейся фазой" содержит полосовой фильтр 1, усилитель 2 с автоматической регулировкой уровня 2, аналого-цифровой преобразователь 3, первый и второй умножители 4 и 5, генератор 6, первый, второй, третий и четвертый фильтры нижних частот (ФНЧ) 7-10, первый и второй сумматоры 11 и 12, формирователь 13 сигнала коррекции фазы, блок 14 коммутации, преобразователь 15 сигнала с линейной частотной модуляцией, блок 16 выделения синхросигналов, адаптивный корректор 17, фазовращатель 18, решающий блок 19, декодер 20, дескремблер 21, фазовый манипулятор 22, блок 23 вычисления фазовой ошибки, блок 24 подстройки фазы несущего колебания и блок 25 коммутации несущей.

Блок 16 выделения синхросигналов содержит блок 26 выделения тактовой частоты, блок 27 подстройки такта и опорный генератор 28.

Блок 26 выделения тактовой частоты содержит первый и второй умножители 29 и 30, сумматор 31, полосовой фильтр 32 и компаратор 33.

Блок 25 коммутации несущей содержит первый ключ 34, компаратор 35, элемент И 36, триггер 37, второй, третий и четвертый ключи 38-40.

Фазовый манипулятор 22 содержит первый, второй, третий и четвертый умножители 41-44 и первый и второй сумматоры 45 и 46.

Цифровой приемник работает следующим образом.

При передаче данных по каналам тональной частоты (ТЧ) со скоростями 1200 и 2400 бит/с используются два вида фазоманипулированных сигналов: вариант А, при котором разность фаз между соседними посылками кратна π на скорости 1200 бит/с и π/2 при скорости 2400 бит/с, и вариант В с разностью фаз, кратной π /2, на скорости 1200 бит/с и π /4 на скорости 2400 бит/с. Сигналы вида В получили в литературе название сигналов с "вращающейся фазой" и используются при работе по каналам ТЧ ухудшенного качества с целью поддержания более стабильной работы системы тактовой синхронизации приемника дискретных сигналов.

Фазоманипулированный сигнал при скорости передачи 1200 бит/с можно представить следующим образом:
1. При варианте манипуляции А
S_i Acost+iπ+π η_j(m)+ϕ(t), (1) где ω_o круговая несущая частота;
ϕ(t) изменение фазы сигнала, вызванное его прохождением по каналу связи;
η(m) коэффициент, принимающий в данном случае значение 0,1.

2. При варианте манипуляции В
S_i Acost+i₁ +π (m)+ + ϕ(t). (2)
Сравнивая (1) и (2) видим, что в структуре сигнала по варианту В появляется вращающаяся компонента i π/2, не несущая полезной информации, которую следует устранить в приемнике. При когерентном методе приема сигналов вида (1) и (2) в цифровом приемнике необходимо сформировать опорные колебания expj[ ω_ot+iπ+ϕ(t) для детектирования сигналов по варианту А и
expjt+i₁ + i +ϕ(t) по варианту В.

Из последнего выражения видно, что для приема сигналов с вариантом В манипуляции фазу опорного колебания в приемнике необходимо вращать на угол i π/2. Аналогичным образом можно показать, что при приеме сигналов со скоростью 2400 бит/с, манипулированных по варианту В, фазу опорного колебания в приемнике необходимо вращать на угол, кратный i π/4.

Вращение фазы опорного колебания в приемнике осуществляется вначале не каждый такт, а только по разрешающему сигналу U_i, полученному в результате вычисления разности фаз принимаемого и опорного колебания Δϕ равной для скорости 1200 бит/с (вариант В) следующей величине:
Δϕ_i= i₁ -i+ η_j(m). (3)
С другой стороны, фазовую ошибку, вычисляемую в цифровом приемнике дискретных сигналов, можно записать следующим образом:
sinΔϕ_i= I, (4) где I_m{·} операция выделения мнимой части произведения;
комплексный сигнал на входе решающего блока приемника;
комплексно-сопряженная оценка сигнала на выходе решающего блока приемника.

Из (3) и (4) следует равенство
sini₁ i + η_j(m). (5)
В зависимости от соотношения фаз принимаемого и опорного колебаний Δϕ_i может принимать значения, кратные K₁ π/2, где К₁ 0,1,2,3 для сигналов на скорости 1200 бит/с, манипулированных по варианту В, и кратные К₂ π /4, где К₂ 0,1,7 для сигналов варианта В на скорости 2400 бит/с.

Тогда из (5) получаем следующий алгоритм формирования разрешающего сигнала U_i:
для сигналов со скоростью 1200 бит/с
U_i= (6)
для сигналов со скоростью 2400 бит/с
U_i= (7)
Рассмотренный выше алгоритм приема сигналов с "вращающейся фазой" реализован в предлагаемом устройстве.

Цифровой приемник работает следующим образом.

Поступающий из канала ТЧ фазоманипулированный сигнал фильтруется полосовым фильтром 1, затем усиливается усилителем 2 с автоматической регулировкой уровня до номинального значения и преобразуется в аналого-цифровом преобразователе 3 в цифровую форму. Цифровые отсчеты принимаемого сигнала с частотой mf_тч (f_тч тактовая частота приемника), вырабатываемой блоком 16 выделения синхросигналов, поступают на синхронный демодулятор, выполненный на первом 4 и втором 5 умножителях, генераторе 6, четырех ФНЧ 7-10, первом 11 и втором 12 сумматорах.

ФНЧ 7-10 представляют собой цифровые нерекурсивные фильтры, значения импульсных характеристик которых записаны в формирователь 13 сигнала коррекции фазы. ФНЧ 7-10 помимо последетекторной фильтрации выполняют функции компромиссного корректора неравномерности ГВЗ канала ТЧ.

Комплексная огибающая принимаемого сигнала в виде реальной составляющей на выходе сумматора 11 и мнимой составляющей на выходе сумматора 12 поступает на блок 14 коммутации, который в данном случае переключает входные сигналы соответственно на первый и четвертый выходы, подавая их тем самым на вход адаптивного корректора 17. Откоppектированные отсчеты реальной и мнимой составляющих принимаемого с частотой f_тч с выхода адаптивного корректора 17 поступают соответственно на первый и второй входы фазовращателя 18, представляющего собой комплексный умножитель, построенный по структуре, аналогичной фазовому манипулятору 22. На третий и четвертый входы фазовращателя 18 подается определенным образом сформированное опорное колебание с выходов фазового манипулятора 22. Откорректированный по фазе сигнал поступает с выходов фазовращателя в виде двух составляющих на второй и третий входы решающего блока 19, представляющего собой пороговую схему в которой по отсчетам входных сигналов выносится решение о принятии того или иного информационного символа .

Сигналы с выхода фазовращателя 18 поступают также на первый и второй входы блока 22 вычисления фазовой ошибки, на третий и четвертый входы которого одновременно приходят отсчеты с выхода решающего блока 19.

Блок 23 вычисления фазовой ошибки реализует алгоритм (4) оценки фазового рассогласования принимаемого и опорного колебаний. Полученная в блоке 23 вычисления фазовой ошибки оценка фазового рассогласования Δϕ_i подается в блок 24 подстройки фазы несущего колебания, реализующего алгоритм
= -γ₁Δϕ_i- (8) подстройки текущей фазы опорного колебания и алгоритм преобразования ⇒ expj , осуществляемого, например, с помощью постоянного запоминающего устройства, входящего в состав блока 24 подстройки фазы несущего колебания.

Ошибка фазового рассогласования с выхода блока 23 вычисления фазовой ошибки подается также на второй вход блока 25 коммутации несущей, в котором она поступает на вход компаратора 35, на второй вход которого с выхода ключа 34 подается пороговое напряжение U_n1 или U_n2 в зависимости от выбранной скорости работы приемника 1200 или 2400 бит/с. Коммутация первого ключа осуществляется логическими сигналами, поступающими на третий вход блока 25 коммутации несущей. В компараторе 35 осуществляется алгоритм сравнения фазовой ошибки с порогом и формирования разрешающего сигнала U_i в соответствии с выражениями (6) или (7). В зависимости от результатов сравнения на выходе компаратора 35 появляется сигнал логической "1" или логического "0", который подается на вход элемента И 36, на второй вход которого подаются импульсы тактовой частоты, привязанные к моментам манипуляции в принимаемом сигнале. Тактовая частота поступает с второго выхода блока 16 выделения синхросигналов. На третий вход элемента И 36 с четвертого входа блока 25 коммутации несущей подается логический "0", разрешающий прием сигналов, манипулированных по варианту В.

Разрешающий сигнал U_i, привязанный к моментам манипуляции в принимаемом сигнале, с выхода элемента И 36 подается на счетный вход С триггера 37. Значение разрешающего сигнала U_i определяется по алгоритму, описываемому выражениями (6) и (7). Если, например, при скорости передачи 1200 бит/с I, т.е. если в i-ый момент времени разность фаз между принимаемый и опорным сигналами в приемнике близка к k π, соотношение (5), т.е. другими словами, если в i-ый тактовый момент времени фазы принимаемого и опорного сигнала совпадают с точностью до π то на выходе элемента И 36 формируется разрешающий сигнал U_i 1, по которому перебрасывается триггер 37, переключая сигналами с первого и второго выходов ключи 38 и 39 таким образом, чтобы на выходе ключа 38 присутствовал логический "0", а на выходе ключа 39 логическая "1", поступающие на их второй и третий входы соответственно с первого и второго выходов ключа 40. Одновременно на третий и четвертый входы фазового манипулятора 22 с выходов блока 24 подстройки фазы несущего колебания подается сигнал вида expj= cos+jsin. Предположим, что до момента прихода разрешающего сигнала U_i ключи 38 и 39 находились в таком положении, что на первом выходе блока 25 коммутации несущей и соответственно на первом входе фазового манипулятора 22 была логическая "1", на втором выходе блока 25 коммутации несущей и соответственно на втором входе фазового манипулятора 22 был логический "0". Тогда сигнал на выходе сумматора 45 фазового манипулятора 22 был бы пропорционален cos cos а на выходе сумматора 46 пропоpционален sin sin
При переключении триггера 37 (U_i 1) сигнал на первом входе фазового манипулятора 22 становится равным логическому "0", а на втором входе логической "1". При этом сигнал на выходе сумматора 45 фазового манипулятора 22 будет пропорционален sin sin а на выходе сумматора 46 cos cos т.е. произойдет поворот фазы опорного колебания, подаваемого на третий и четвертый входы фазовращателя 18, на π /2. Далее данный процесс будет автоматически повторяться, осуществляя тем самым вращение фазы опорного колебания в приемнике на угол, кратный π /2.

Если же в i-ый тактовый момент I ±1, т.е. если разность фаз в i-ый момент времени между принимаемым и опорным колебаниями кратна π /2, то разрешающий сигнал на выходе элемента И 36 не появляется (логический "0"), триггер 37 не перебрасывается и соответственно ключи 38 и 39 остаются в исходном положении, сохраняя тем самым логическую "1" на первом входе фазового манипулятора 22 и логический "0" на его втором входе. Поворота фазы опорного колебания в данном случае не происходит.

Аналогичным образом предлагаемое устройство функционирует при скорости передачи 2400 бит/с.

Отличием от рассмотренного выше алгоритма в данном случае является сравнение фазовой ошибки с пороговым напряжением, равным в компараторе 35, и подача на входы ключей 38 и 39 напряжений, пропорциональных величине 0,707, которые поступают с выходов ключа 40 при его замыкании.

Для получения в приемнике импульсов тактовой частоты, приведенных к моментам манипуляции в принимаемом сигнале, служит блок 16 выделения синхросигналов, который работает следующим образом.

Реальная и мнимая составляющие комплексной огибающей принимаемого сигнала подаются на первый и второй входы блока 26 выделения тактовой частоты, в котором они возводятся в квадрат в умножителях 29 и 30 и складываются друг с другом, формируя таким образом на выходе сумматора 31 квадрат модуля комплексной огибающей. В спектре комплексной огибающей принимаемого сигнала содержится составляющая с частотой, равной тактовой, которая выделяется полосовым фильтром 32 и подается на компаратор 33, формирующий на своем выходе прямоугольные импульсы принимаемой тактовой частоты. Выделенные импульсы тактовой частоты подаются на первый вход блока 27 подстройки такта, на второй вход которого подаются импульсы высокой частоты с выхода опорного генератора 28. Блок 27 подстройки такта представляет собой дискретную систему фазовой автоподстройки частоты с импульсным управлением сигналами добавления и вычитания, в которой в качестве эталонного колебания используется выделенная из принимаемого сигнала тактовая частота.

Импульсы подстроенной под принимаемый сигнал тактовой частоты с второго выхода блока 16 выделения синхросигналов подаются в блок 25 коммутации несущей, привязывая тем самым разрешающий сигнал U_i к моментам манипуляции в принимаемом сигнале. Помимо этого импульсы с частотой mf_тч (m 5-8) с первого выхода блока 16 выделения синхросигналов подаются на второй вход аналого-цифрового преобразователя 3 для дискретизации принимаемого сигнала при его преобразования в цифровой вид.

Использование: в электросвязи. Сущность изобретения: цифровой приемник содержит полосовой фильтр 1, усилитель 2 с АРУ, аналого-цифровой преобразователь 3, умножители 4 и 5, генератор 6, фильтры 7 - 10 низких частот, сумматоры 11 и 12, формирователь 13 сигнала коррекции фазы, блок 14 коммутации, преобразователь 15 сигнала с линейной частотной модуляцией, блок 16 выделения синхросигналов, адаптивный корректор 17, фазовращатель 18, решающий блок 19, декодер 20, дескремблер 21, фазовый манипулятор 22, блок 23 вычисления фазовой ошибки, блок 24 подстройки фазы несущего колебания и блок 25 коммутации несущей. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ЦИФРОВОЙ ПРИЕМНИК ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ С "ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ФАЗОЙ", содержащий усилитель с автоматической регулировкой уровня, выход которого соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП), адаптивный корректор, решающий блок, первый и второй входы которого соединены с первым и вторым входами блока вычисления фазовой ошибки, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами решающего блока и первым и вторым входами декодера, блок подстройки фазы несущего колебания, отличающийся тем, что в него введены полосовой фильтр, первый и второй умножители, генератор, первый, второй, третий и четвертый фильтры нижних частот (ФНЧ), первый и второй сумматоры, формирователь сигнала коррекции фазы, блок коммутации, преобразователь сигнала с линейной частотной модуляцией, блок выделения синхросигналов, фазовращатель, дескрембелр, фазовый манипулятор, блок коммутации несущей, выход полосового фильтра, вход которого является входом приемника, соединен с входом усилителя с автоматической регулировкой уровня, выход АЦП подключен к первым входам первого и второго умножителей, вторые входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами генератора, выход первого умножителя соединен с первыми входами первого и второго ФНЧ, вторые входы которых соединены с выходом формирователя сигнала коррекции фазы и первыми входами третьего и четвертого ФНЧ, второй вход последнего соединен с вторым входом третьего ФНЧ и выходом второго умножителя, выход первого ФНЧ соединен с первым входом первого сумматора, второй вход которого соединен с выходом третьего ФНЧ, выход четвертого ФНЧ соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого подключен к выходу второго ФНЧ, выход первого сумматора соединен с первым входом блока коммутации, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, первый выход блока коммутации соединен с первым выходом преобразователя сигнала с линейной частотной модуляцией и первыми входами блока выделения синхросигналов и адаптивного корректора, второй вход которого соединен с вторым входом блока выделения синхросигналов, вторым выходом преобразователя сигнала с линейной частотной модуляцией и вторым выходом блока коммутации, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами преобразователя сигнала с линейной частотной модуляцией, первый и второй выходы адаптивного корректора соединены соответственно с первым и вторым входами формирователя, третий и четвертый входы которого соединены с первым и вторым выходами фазового манипулятора, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами блока коммутации несущей, первый вход которого соединен с выходом блока вычисления фазовой ошибки и входом блока подстройки фазы несущего колебания, первый и второй выходы которого соединены с третьим и четвертым входами фазового манипулятора, первый и второй выходы фазовращателя соединены соответственно с первым и вторым входами решающего блока, второй вход АЦП соединен с первым выходом блока выделения синхросигналов, второй выход которого соединен с вторым входом блока коммутации несущей, третьим входом решающего блока и третьим входом адаптивного корректора, выход декодера соединен с входом дескремблера, выход которого является выходом приемника, третий и четвертый входы блока коммутации несущей являются соответствующими входами цифрового приемника. 2. Приемник по п.1, отличающийся тем, что блок выделения синхросигналов содержит последовательно соединенные блок выделения тактовой частоты и блок подстройки такта, второй вход которого соединен с выходом опорного генератора, входы блока выделения тактовой частоты являются входами блока выделения тактовой частоты являются входами блока выделения синхросигналов, выходами которого являются выходы блока подстройки такта. 3. Приемник по п.2, отличающийся тем, что блок выделения тактовой частоты содержит первый и второй умножители, сумматор, полосовой фильтр и компаратор, первый и второй входы первого умножителя соединены между собой и являются первым входом блока выделения тактовой частоты, вторым входом которого являются объединенные первый и второй входы второго умножителя, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого умножителя, выход сумматора соединен с входом полосового фильтра, выход которого соединен с входом компаратора, выход которого является выходом блока выделения тактовой частоты. 4. Приемник по п.1, отличающийся тем, что блок коммутации несущей содержит компаратор, четыре ключа, элемент И и триггер, первым входом блока коммутации несущей является первый вход компаратора, второй вход которого соединен с выходом первого ключа, первый и второй входы которого являются входами порогового напряжения, выход компаратора соединен с первым входом элемента И, второй вход которого является вторым входом блока коммутации несущей, выход элемента И соединен с первым входом триггера, второй вход которого соединен с третьим входом элемента И и является четвертым входом блока коммутации несущей, первый выход триггера соединен с первым входом второго ключа, второй и третий входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами четвертого ключа и первым и вторым входами третьего ключа, первый вход которого соединен с вторым выходом триггера, выход второго ключа является первым выходом блока коммутации несущей, вторым выходом которого является выход третьего ключа, третьим входом блока коммутации несущей является третий вход первого ключа и первый вход четвертого ключа, второй, третий и четвертый входы которого являются входами постоянного сигнала. 5. Приемник по п.1, отличающийся тем, что фазовый манипулятор содержит четыре умножителя и два сумматора, выходы которых являются выходами фазового манипулятора, первые входы первого и второго умножителей объединены и являются третьим входом фазового манипулятора, четвертый входом которого являются объединенные вторые входы третьего и четвертого умножителей, второй вход первого умножителя объединен с вторым входом третьего умножителя и является первым входом фазового манипулятора, вторым входом которого являются объединенные вторые входы второго и четвертого умножителей, выход первого умножителя соединен с первым входом первого сумматора, второй вход которого соединен с выходом четвертого умножителя, выход третьего умножителя соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго умножителя.