ПРИЕМНИК ШУМОПОДОБНЫХ ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 1998 года по МПК H04L27/22 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в устройствах контроля и анализа шумоподобных ФМН-сигналов.

Известен приемник ШП ФМН-сигналов: "Перехватный приемник шумоподобных сигналов на двух боковых полосах" (патент США N 4169993, H 04 B 1/32). Этот приемник осуществляет перемножение принятого сигнала на сформированный из него сигнал с инвертированными мгновенными значениями фазы и фильтрацию в узкополосном фильтре образующейся при этом демодулированной несущей.

Недостатком устройства является низкая помехоустойчивость при узкополосных помехах.

Известно "Устройство для приема ФМН псевдослучайных сигналов" по авт. св. N 1215189, H 04 L 27/22.

Устройство осуществляет выделение из принятого сигнала модулирующей ПСП, демодуляцию несущей и узкополосную фильтрацию.

Недостатком устройства является низкая помехоустойчивость, так как для выделения ПСП необходимо высокое отношение сигнал/шум.

Наиболее близким по технической сущности является устройство по а.с.N 683030, H 04 L 27/22 "Приемник шумоподобных ФМН-сигналов", содержащий заградительный фильтр 1, смеситель 2, перемножитель 3, полосовой фильтр и гетеродин 5.

Недостатком устройства является низкая помехозащищенность при воздействии узкополосных помех, так как в приемнике не используются все потенциально полезные компоненты выходного сигнала перемножителя 3.

Для повышения помехоустойчивости при воздействии узкополосных помех в приемник шумоподобных ФМН-сигналов, содержащий последовательно соединенные заградительный фильтр, переменожитель, полосовой фильтр, а также последовательно соединенные гетеродин и смеситель, второй вход которого соединен с выходом заградительного фильтра, а выход - с вторым входом перемножителя, введены последовательно соединенные первый амплитудный детектор, сумматор, пороговое устройство, выход которого является выходом устройства, три цепочки, каждая из которых содержит последовательно соединенные полосовой фильтр и амплитудный детектор, причем выходы амплитудных детекторов соединены с входами сумматора, а входы полосовых фильтров соединены с выходом перемножителя.

Структурная электрическая схема предлагаемого устройства представлена на фиг.1, где обозначено:
1 - обеляющий фильтр, 2 и 3 - заградительные фильтры, 4 - смеситель, 5 - гетеродин, 6 - перемножитель, 7 - 10 - полосовые фильтры, 11 - 14 - амплитудные детекторы, 15 - сумматор, 16 - пороговое устройство, 17 - заградительный фильтр.

Устройство содержит последовательно соединенные заградительный фильтр 17, перемножитель 6, полосовой фильтр 7, амплитудный детектор 11, сумматор 15, пороговое устройство 16, выход которого является выходом устройства. К выходу перемножителя 6 присоединены три цепочки, каждая из которых содержит последовательно соединенные полосовой фильтр 8 (9 и 10) и амплитудный детектор 12 (13 и 14). Выходы амплитудных детекторов 12 - 14 соединены с входами сумматора 15. Заградительный фильтр 17 содержит последовательно соединенные обеляющий фильтр 1, первый заградительный фильтр 2 и второй заградительный фильтр 3. Выходы полосовых фильтров 7 - 10 являются выходами устройства.

Приемник работает следующим образом.

В обеляющем фильтре 1 осуществляется подавление узкополосных помех путем режекции участков полосы приема, занятых помехами. Заградительный фильтр 2 осуществляет режекцию помех на частотах f_o+f_т/2 и f_о-f_т/2, заградительный фильтр 3 режектирует помеху на частоте f_о.

Здесь f_о - центральная частота полосы приема, равная частоте несущей сигнала, а f_т - тактовая частота модулирующей ПСП сигнала.

В смесителе 4 происходит сдвиг сигнала по частоте. Частота несущей на его выходе соответствует частоте f_г-f_о, f_г - частота гетеродина.

В перемножителе 6 происходит сжатие спектра сигнала, поскольку мгновенная фаза сигнала удваивается и сдвиг фазы при модуляции бинарной ПСП на 0 и π становится одинаковым (0 и 2π).

На выходе перемножителя 6 образуется немодулированный сигнал на частоте f_г-2f_о, соответствующей частоте несущей сигнала.

Кроме того, если спектр сигнала (или полоса приема) ограничен главным лепестком спектра или большей его частью, в перемножителе 6 образуются еще три немодулированные сигнальные компоненты на частотах f_г-(2f_о+f_т), f_г-(2f_о-f_г), f_г-f_т.

Указанные четыре компоненты выделяются полосовыми фильтрами 7-10.

В амплитудных детекторах 11-14 выделяются огибающие выходных сигналов полосовых фильтров 7-10, которые суммируются в сумматоре 15. Выходной сигнал сумматора 15 сравнивается в пороговом устройстве 16 с порогом обнаружения, где в случае превышения порога фиксируется обнаружение сигнала, а выходные сигналы полосовых фильтров 7-10 используются для дальнейшей обработки.

Предлагаемое устройство имеет более высокую помехоустойчивость, чем устройство-прототип, вследствие того, что используются дополнительные сигнальные компоненты, возникающие в перемножителе 6. Они имеют достаточно большую энергию и взаимно некоррелированные шумы. При некогерентном сложении в сумматоре они обеспечивают энергетический выигрыш.

Преимущество предлагаемого устройства растет с увеличением загрузки полосы приема узкополосными помехами.

Наибольшее преимущество предлагаемое устройство имеет в наиболее сложной помеховой обстановке, когда в обеляющем фильтре подавляется значительная часть спектра сигнала и оставшая часть спектра не содержит симметрично расположенных относительно f_о составляющих.

В этих ситуациях основная компонента с частотой f_г-2f_о не образуется и устройство-прототип вообще не принимает сигнал. А в предлагаемом устройстве прием происходит за счет дополнительных компонент, так как они образуются из-за другой симметрии фазового спектра бинарного ФМН-сигнала (см.Варакин Л. Е Системы связи с шумоподобными сигналами. М.:Радио и связь, 1985) и наличие симметричных относительно f_о составляющих спектра не требуется.

Компонента с частотой f_г-(2f_о+f_т) образуется из-за симметрии фазового спектра верхней боковой полосы сигнала относительно частоты f_о-f_т/2.

Компонента с частотой f_г-(2f_о-f_т) образуется из-за симметрии фазового спектра нижней боковой полосы сигнала относительно частоты f_о-f_т/2.

Компонента с частотой f_т образуется вследствие постоянства разности фаз спектральных составляющих, отстоящих друг от друга по частоте на величину f_т.

На фиг.2 показаны примеры режекции спектра сигнала в обеляющем фильтре, когда отсутствует компонента с частотой f_г-2f_о. Там указаны частоты существующих в каждом случае дополнительных компонент.

Часть схемы предлагаемого устройства, содержащая смеситель 4, гетеродин 5 и перемножитель 6, осуществляет сжатие спектра широкополосного шумоподобного сигнала путем перемножения принимаемого сигнала на его копию, полученную путем смещения его по частоте, в результате чего на выходе перемножителя 6 на частоте f_г-2f_о образуется немодулированный сигнал в числе других компонент.

Особенность преобразования состоит в том, что сигнал на частоте f_г-f_о образуется из всех спектральных составляющих принимаемого шумоподобного сигнала, а не только из составляющей на частоте f_о, вклад амплитуды которой по сравнению с суммарным вкладом остальных спектральных составляющих сигнала очень мал.

Это позволяет исключить спектральную составляющую f_о в фильтре 3 практически без потери энергии принимаемого сигнала.

Само же исключение этой составляющей производится только для того, чтобы не допустить приема немодулированных или узкополосных сигналов, которые для устройства приема шумоподобных сигналов являются помехой, а не полезным сигналом.

Пусть предлагаемое устройство принимает фазоманипулированный сигнал вида Acos(ω₀t+ϕ₀+ϕ_м) , где ω₀ - частота несущей, t - текущее время, ϕ₀ - начальная фаза, ϕ_м - значение сдвига фазы при манипуляции, равное 0 или 180 град., A - амплитуда.

Если нет никаких помех, то фильтр 1 не искажает сигнал и, если не учитывать пока фильтры 2 и 3, то после смесителя 4 сигнал имеет вид Acos(ω_гt-ω_ct+ϕ_г-ϕ₀-ϕ_м) , где f_г и ϕ_г - частота и фаза гетеродинного сигнала, а после перемножителя 6:

Так как 0 и 360 град. для гармонической функции равнозначны, манипуляция фазы устраняется, сигнал стал немодулированным узкополосным и выделяется из шума и других помех фильтром 7.

Но, если на входе приемного устройства присутствует немодулированный сигнал, он проходит точно также до фильтра 7 и выделяется им как широкополосный ФМН-сигнал.

Чтобы не принимать узкополосные сигналы, в предлагаемое устройство введен фильтр 3, который не пропускает немодулированные сигналы или несущие узкополосных сигналов на частоте f_о.

При этом у широкополосного ФМН-сигнала также вырезается узкая часть спектра на частоте f_о, но это практически не влияет на его прием. Во-первых, несущая в спектре ФМН-сигналов значительно меньше других спектральных составляющих, и во-вторых, в образовании сигнала на частоте f_г-2f_о участвует весь спектр сигнала в равной степени и потеря малой части спектра (независимо от ее расположения) также мала и влияет на уровень выходного сигнала фильтра 7.

В спектральном представлении при перемножении в перемножителе 6 сигнал на частоте f_г-2f_о образуется при суммировании большого числа гармонических компонент с этой частотой, образующихся при перемножении спектральных составляющих входных сигналов перемножителя 6, частоты которых различаются на величину f_г-2f_о. В силу особенностей спектров ФМН-сигналов эти гармонические компоненты имеют одинаковые фазы.

Поэтому частоте f_г-2f_о на выходе перемножителя 6 соответствует частоте f_о на входе устройства, то есть частота f_о несущей входного сигнала, хотя сама спектральная составляющая сигнала на частоте f_о удаляется фильтром 3.

Такую же функцию выполняет фильтр 2 в предлагаемом устройстве. Он устраняет немодулированные помехи на частотах f_о-f_г/2 и f_о+f_г/2, которые могут быть приняты за полезный сигнал на выходе фильтров 8 и 9.

ФМН широкополосный сигнал образует на выходе перемножителя 6 немодулированные сигналы, кроме частоты f_г-2f_о, на частотах f_г-(2f_о-f_т), f_г-(2f_о+f_т) и f_г-f_т. Если бы ФМН-сигнал на входе перемножителя 6 не был ограничен по спектру, то на выходе перемножителя 6 была бы только составляющая на частоте f_г-2f_о, что и получено выше.

Но предлагаемое устройство предназначено для работы в сложных помеховых условиях, когда обеляющий фильтр 1 вырезает полосы частот, занятые мощными узкополосными помехами, вырезая тем самым и часть спектра сигнала. При этом на выходе перемножителя 6 появляются другие немодулированные компоненты.

Если спектр сигнала обрезан по краям, то есть сужен до ширины главного лепестка или меньше, то амплитуда сигнала A перестанет быть постоянной, что можно трактовать возникновением, кроме фазовой, еще и амплитудной модуляции. Поскольку изменения амплитуды связаны со скачками фазы в сигнале, а они происходят с тактовой частотой, то в спектре АМ присутствуют гармоники тактовой частоты f_г.

В результате преобразования в блоках 4-6 сигнал освобождается от фазовой модуляции, а амплитудная модуляция остается. Она и дает дополнительные компоненты на частотах f_г-(2f_о+f_т) f_г-(2f_о-f_т) и f_г-f_т.

Если же спектр сигнала режектирован несимметрично, например осталась одна верхняя половина главного лепестка, то образуется только немодулированная компонента на частоте f_г-(2f_о+f_г), что объясняется следующим.

Фазовый спектр ФМН-сигнала (Варакин Л.Е. Системные связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985, с.40, рис.3.3) имеет периодическую структуру и разные участки спектра сигала с одинаковыми фрагментами фазового спектра, которые практически одинаково преобразуются в рассматриваемом устройстве.

Поэтому преобразование одной половины главного лепестка спектра приводит к появлению немодулированной компоненты на частоте f_г-(2f_о+f_т), соответствующей центру симметрии данного участка фазового спектра, подобно тому, как преобразование всего спектра приводит к образованию немодулированного сигнала на частоте f_г-2f_о.

Уровень дополнительных компонент меньше, чем основной на частоте f_г-2f_о, но в сложных помеховых условиях основная компонента отсутствует и возможен прием только дополнительных.

Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в устройствах контроля и анализа шумоподобных ФМН-сигналов, служит для повышения помехоустойчивости при воздействии узкополосных помех. Предлагаемый приемник содержит последовательно соединенные заградительный фильтр, в состав которого входит обеляющий фильтр и два заградительных, перемножитель, второй вход которого через смеситель соединен с выходом заградительного фильтра. Второй вход смесителя соединен с выходом гетеродина. Выход перемножителя соединен с объединенными входами первого, второго, третьего и четвертого полосовых фильтров, выходы которых являются выходами устройства и в то же время соединены соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым амплитудными детекторами, входы которых соединены с входами сумматора. Выход сумматора соединен с пороговым устройством, выход которого является выходом устройства. 3 ил.

Приемник шумоподобных фазоманипулированных сигналов, содержащий последовательно соединенные заградительный фильтр, перемножитель, первый полосовой фильтр, а также смеситель, один вход которого соединен с выходом заградительного фильтра, второй - с выходом гетеродина, а выход - с вторым входом перемножителя, отличающийся тем, что в него введены последовательно соединенный первый амплитудный детектор, вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра, сумматор, пороговое устройство, а также три цепочки, каждая из которых содержит последовательно соединенные полосовой фильтр и амплитудный детектор, причем входы полосовых фильтров соединены с выходом перемножителя, а выходы амплитудных детекторов - с входами сумматора, выходы всех полосовых фильтров и выход порогового устройства являются соответствующими выходами приемника.