УСТРОЙСТВО ДЕМОДУЛЯЦИИ МНОГОПОЗИЦИОННЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 1999 года по МПК H04L27/22 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах передачи дискретных сообщений.

Известно устройство [1], содержащее разветвитель, выходы которого соединены соответственно с синфазным и квадратурным каналами обработки сигнала, каждый из которых состоит из последовательно соединенных умножителя, фильтра нижних частот, квантователя уровня, вычитателя и низкочастотного умножителя, причем в каждом канале выход фильтра нижних частот дополнительно соединен со вторым входом вычитателя, а второй выход квантователя уровня - со вторым входом низкочастотного умножителя другого канала. Выход низкочастотного умножителя каждого из каналов соединен с соответствующим входом третьего вычитателя, выход которого соединен с генератором управляемого напряжением через пропорционально-интегрирующий фильтр. Выход генератора управляемого напряжением соединен со вторым входом умножителей, в синфазном канале обработки сигнала - непосредственно, в квадратурном - через фазовращатель на π/2.
Недостатком данного устройства является наличие манипуляционной составляющей в цепи управления частотой генератора управляемого напряжением, что вызывает дополнительную дисперсию фазы опорного колебания и снижает помехоустойчивость приема.

Наиболее близким по техническому решению является устройство синхронизации по несущей и детектирования КАМ сигналов [2], содержащее разветвитель, выходы которого соединены соответственно с синфазным и квадратурным каналами обработки сигнала, каждый из которых состоит из последовательно соединенных умножителя, фильтра нижних частот, квантователя уровня, низкочастотного умножителя, причем в каждом канале выход фильтра нижних частот дополнительно соединен со вторым входом низкочастотного умножителя другого канала. Выход низкочастотного умножителя каждого из каналов соединен с соответствующим входом вычитателя, выход которого соединен с генератором управляемого напряжением через пропорционально-интегрирующий фильтр. Выход генератора управляемого напряжением соединен со вторым входом умножителя, в синфазном канале обработки сигнала непосредственно, в квадратурном - через фазовращатель на π/2.
Недостатком этого устройства является наличие манипуляционной составляющей большого уровня в цепи управления частотой генератора управляемого напряжением, снижающей качество опорного колебания, а следовательно, и помехоустойчивость устройства.

Целью изобретения является повышение помехоустойчивости за счет улучшения качества опорного колебания.

Указанная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее разветвитель, выходы которого соединены соответственно с синфазным и квадратурным каналами обработки сигнала, каждый из которых состоит из последовательно соединенных умножителя, фильтра нижних частот, квантователя уровня, низкочастотного умножителя, причем в каждом канале выход фильтра нижних частот дополнительно соединен со вторым входом низкочастотного умножителя другого канала, а выход низкочастотного умножителя соединен с соответствующим входом вычитателя, пропорционально-интегрирующий фильтр, выход которого соединен с генератором управляемого напряжением, соединенным со вторым входом умножителей, в синфазном канале обработки сигнала - непосредственно, в квадратурном - через фазовращатель на π/2, дополнительно введены формирователь сигнала S(t):

где оценки синфазной и квадратурной составляющих сигнала на интервале длительности символа, - соединенный с выходом квантователей уровня и регулируемый усилитель с коэффициентом передачи K(t):
K(t) = K_oS(t),
где L²=M - позиционность сигнала, - сигнальный вход которого соединен с выходом вычитателя, вход управления - с выходом формирователя сигнала, а выход с пропорционально-интегрирующим фильтром.

Сравнительный с прототипом анализ показывает, что заявляемое устройство отличается наличием формирователя сигнала и регулируемого усилителя с соответствующими связями и неизвестно из уровня техники.

Таким образом изобретение соответствует критерию "новизна".

Анализ известных технических решений в исследуемой и смежной областях позволяет сделать вывод, что введенные функциональные узлы известны. Однако, введение их в устройство синхронизации по несущей частоте и демодуляции сигналов с квадратурной амплитудной манипуляцией с указанными связями придает этому устройству новые свойства. Введенные функциональные узлы взаимодействуют таким образом, что коэффициент передачи сигнала в цепи управления генератора управляемого напряжением меняется обратно пропорционально уровню сигнала на входе устройства. Это приводит к уменьшению уровня манипуляционной составляющей в цепи управления генератора управляемого напряжением, а следовательно, к уменьшению дисперсии фазы формируемого колебания.

Таким образом, изобретение соответствует критерию "Изобретательский уровень", т.к. оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.

Изобретение может быть использовано в цифровых системах передачи информации, использующих сигналы с квадратурной амплитудной манипуляцией (КАМ).

Таким образом, изобретение соответствует критерию "Промышленная применимость".

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства демодуляции многопозиционных сигналов.

Устройство содержит разветвитель 1, умножители 2 и 3, фазовращатель на π/2 4, фильтры нижних частот 5 и 6, генератор управляемый напряжением 7, квантователи уровня 8 и 9, пропорционально-интегрирующий фильтр 10, регулируемый усилитель 11, формирователь сигнала 12, низкочастотные умножители 13 и 14, вычитатель 15.

Вход разветвителя 1 является входом устройства. Выходы разветвителя 1 соединены соответственно с первым входом умножителей 2 и 3.

Выход генератора управляемого напряжением 7 соединен со вторым входом умножителя 2 и входом фазовращателя на π/2 4, выход которого соединен со вторым входом умножителя 3. Выходы умножителей 2 и 3 соответственно соединены с фильтрами нижних частот 5 и 6, выход которых является выходами устройства и соединен соответственно с квантователями уровня 8 и 9 и вторым входом низкочастотных умножителей 14 и 13. Выход квантователей уровня 8 и 9 соответственно соединен с первым входом низкочастотных умножителей 13 и 14 и входами формирователя сигнала 12. Выход низкочастотных умножителей 13 и 14 соответственно соединен со входами вычитателя 15, выход которого соединен с сигнальным входом регулируемого усилителя 11. Выход формирователя сигнала 12 соединен со входом управления регулируемого усилителя 11, выход которого соединен с пропорционально-интегрирующим фильтром 10. Выход пропорционально-интегрирующего фильтра 10 соединен с генератором управляемым напряжением 7.

Устройство работает следующим образом.

Генератор управляемый напряжением 7 (ГУН) формирует опорное колебание y(t):
y(t) = cosω_ot,
где ω_o - частота свободных колебаний ГУН 7.

Принимаемый с аддитивной помехой М-позиционный КАМ сигнал U(t) на интервалы длительности символа T может быть представлен следующим выражением

где a, b = -(L-1), -(L-3), ... (L-1) - амплитуды квадратурных составляющих сигнала;
ω, ϕ - частота и начальная фаза сигнала;
α(t), β(t) - амплитуды квадратурных составляющих шума с дисперсией σ².
В результате квадратурного детектирования при ω = ω_o на выходе фильтров нижних частот 5 и 6 формируются сигналы
I(ϕ) = acosϕ+bsinϕ+α(t); (2)
Q(ϕ) = bcosϕ-asinϕ+β(t), (3)
которые соответственно поступают на квантователи уровня 8 и 9 и вторые входы низкочастотных умножителей 14 и 13.

На выходе квантователей уровня 8 и 9 формируются сигналы оценки синфазной и квадратурной составляющих сигнала, которые соответственно поступают на первый вход низкочастотных умножителей 13 и 14 и входы формирователя сигнала 12, с выхода низкочастотных умножителей 13 и 14 сигналы подаются на соответствующие входы вычитателя 15, а затем на вход регулируемого усилителя 11. На выходе регулируемого усилителя 11 формируется сигнал оценки начальной фазы сигнала f(ϕ):

который через пропорционально-интегрирующий фильтр 10 поступает на вход ГУН 7, подстраивая его частоту.

Качество формируемого опорного колебания определяется дисперсией сигнала f(ϕ):

где (6)
При вероятности ошибки P ≥ 10^-2 оценки синфазной и квадратурной составляющих сигнала и для КАМ-16:

F(ϕ) ≈ 3K_osinϕ;
D(ϕ) ≈ 1,03K2o

sin²ϕ+K2oσ²;
D(ϕ)/F¹²(O) ≈ 0,114sin²ϕ+0,11σ². (7)
Для аналога:
f_a(ϕ) = (I(ϕ)-a)sgnb-(Q(ϕ)-b)sgna;
F_a(ϕ) = 4sinϕ;
D_a(ϕ) = 8sin²ϕ/2+2σ²;
D_a(ϕ)/F12a(O) = 0,5sin²ϕ/2+0,125σ². (8)
Для прототипа:
f_n(ϕ) = I(ϕ)•b-Q(ϕ)a;

D_n(ϕ) = 32sin²ϕ+10σ²;
D_n(ϕ)/F12n(O) = 0,32sin²ϕ+0,1σ². (9)
Анализ выражений (7), (8), (9) показывает, что заявляемое устройство при примерно одинаковом уровне шумовой составляющей имеет выигрыш по уровню манипулярной составляющей: по отношению к прототипу на 4,5 дБ, к аналогу 3,6 дБ - таким образом, формирует более качественное опорное колебание, а следовательно, обладает более высокой помехоустойчивостью.

Предлагаемое устройство реализовано на промежуточной частоте 160 МГц с применением аналоговой и цифровой элементной базы.

Разветвитель 1, умножители 2 и 3, фазовращатель 4, фильтры нижних частот 5 и 6, генератор управляемый напряжением 7, пропорционально-интегрирующий фильтр 10 реализованы на аналоговых элементах, при этом в качестве умножителей 2 и 3 используются интегральные квадратурные умножители AD 834.

Квантователи 8 и 9, низкочастотные умножители 13 и 14, вычитатель 15, формирователь сигналов 12 и регулируемый усилитель 11 реализованы на цифровых интегральных элементах: АЦП AD 9058, ПЗУ 27C128, ЦАП AD 7524.

Практическое использование предлагаемого устройства позволяет повысить помехоустойчивость приема сигналов с квадратурной амплитудной манипуляцией.

В демодуляторе многопозициоиных сигналов, например сигналов с квадратурной амплитудной манипуляцией (КАМ), в цепь подстройки фазы генератора, управляемого напряжением, дополнительно включен регулируемый усилитель с коэффициентом передачи К (t), равным K_oS (t), причем S(t), равное где оценки синфазной и квадратурной составляющих сигнала на интервале длительности, формируется в формирователе сигнала, входы которого подключены к выходам соответствующих квантователей уровня. Демодулятор повышает помехоустойчивость приема сигналов с КАМ путем улучшения качества опорного колебания. 1 ил.

Устройство демодуляции многопозиционных сигналов, содержащее разветвитель, выходы которого соединены соответственно с синфазным и квадратурным каналами обработки сигнала, каждый из которых состоит из последовательно соединенных умножителя, фильтра нижних частот квантователя уровня, низкочастотного умножителя, причем в каждом канале выход фильтра нижних частот дополнительно соединен с вторым входом низкочастотного умножителя другого канала, а выход низкочастотного умножителя соединен с соответствующим входом вычитателя, пропорционально-интегрирующий фильтр, выход которого соединен с генератором управляемого напряжением, соединенным со вторым входом умножителей, в синфазном канале обработки сигнала - непосредственно, в квадратурном - через фазовращатель на π/2, отличающееся тем, что дополнительно содержит формирователь сигнала где оценки синфазной и квадратурной составляющих сигнала на интервале длительности символа, соединенный с выходом квантователей уровня, и регулируемый усилитель с коэффициентом передачи k(t) : k(t) = K_os(t), сигнальный вход которого соединен с выходом вычитателя, вход управления - с выходом формирователя сигнала, а выход - с пропорционально-интегрирующим фильтром.