СПОСОБ ИНВЕРСНО-КВАДРАТУРНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ ЧАСТОТЫ ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 2002 года по МПК H04L27/22 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при реализации систем радиосвязи с фазоманипулированными (ФМ) сигналами.

При реализации различных способов обработки ФМ сигнала всегда возникает задача повышения помехозащищенности за счет снижения потерь при обработке сигналов.

Одной из основных операций при приеме и обработке ФМ сигналов является операция восстановления несущей частоты с использованием процедуры нелинейной обработки сигнала.

Среди известных способов нелинейной обработки сигналов для восстановления несущей частоты (ВН) широкое распространение получили:
- возведение в квадрат (умножение самого сигнала на себя);
- синфазно-квадратурное умножение (схема Костаса);
- синхронное детектирование.

Способ возведения в квадрат для ВН [1] включает в себя следующую последовательность операций:
- фильтрацию принимаемого сигнала;
- возведение в квадрат отфильтрованного сигнала (умножение самого сигнала на себя);
- узкополосную фильтрацию продуктов свертки на удвоенной частоте несущей ФМ сигнала;
- генерацию перестраиваемого по частоте синусоидального сигнала, близкой к удвоенной частоте несущей ФМ сигнала;
- перемножение квадратурных составляющих ФМ сигнала и генерируемого синусоидального сигнала;
- интегрирование результатов перемножения с целью формирования сигнала ошибки для подстройки генерируемого синусоидального сигнала.

Данный способ имеет низкую помехозащищенность за счет уменьшения его энергетического потенциала на 6 дБ [1, стр. 351], а также за счет автокорреляции в перемножителе помеховых составляющих, возникающих в тракте передачи и сопровождающих полезный сигнал.

Способ синфазно-квадратурного умножения (способ Костаса) [1, стр. 276] для ВН включает в себя следующую последовательность операций:
- прием сигнала;
- генерацию перестраиваемого по частоте синусоидального сигнала на частоте, близкой к несущей входного ФМ сигнала;
- квадратурно-когерентное детектирование части ФМ сигнала путем перемножения его со сдвинутым по фазе на 90^o генерируемым сигналом;
- синфазно-когерентное детектирование части ФМ сигнала путем перемножения его с синфазно генерируемым сигналом;
- фильтрацию (в полосе модулирующих частот) результатов каждого детектирования;
- перемножение квадратурных составляющих отфильтрованных сигналов;
- интегрирование результатов перемножения с целью формирования сигнала ошибки для синхронизации генерируемого сигнала (при этом частота и фаза генерируемого сигнала в режиме синхронизации устанавливается равной несущему колебанию принимаемого сигнала).

Этот способ в большинстве случаев оказывается предпочтительней способа возведения в квадрат ввиду его меньшей чувствительности к сдвигам центральной частоты и способности работы в широком диапазоне скоростей входных сигналов. Однако наряду с достоинством этот способ имеет и существенный недостаток, связанный с тем, что при формировании сигнала ошибки в цепь управления перестраиваемого генератора проникают информационные составляющие, что приводит к снижению его помехоустойчивости [7, стр. 40].

Дополнительное введение в данный способ операции ограничения с нулевым порогом и малым дрейфом нуля [2, рис. 2] отчасти устраняет эту проблему, но ухудшает помехозащенность при малых (2-3 дБ) отношениях сигнал/шум [2, рис. 16].

Кроме того, расчеты и экспериментальные исследования, проведенные в [3], показывают, что данный способ имеет существенную разноканальность, так как уровень шума в квадратурном канале на 15 дБ больше, чем в синфазном. Физика такого явления заключается в смешении генерируемого сигнала с самим собой и преобразовании его фазового шума в полосу модулирующих частот, что дополнительно снижает помехозащищенность способа синфазно-квадратурного умножения.

Способ синхронного детектирования, описанный в [4] и принятый за прототип, для ВН содержит следующую последовательность операций:
- прием и разветвление входного широкополосного ФМ сигнала на два направления;
- генерирование перестраиваемого по частоте синусоидального сигнала на частоте, близкой к несущей частоте входного ФМ сигнала;
- удвоение частоты перестраиваемого генератора;
- преобразование одной части ответвленного ФМ сигнала по частоте, с помощью синусоидального сигнала полученного на выходе удвоителя, в частотно-инверсную копию входного ФМ сигнала;
- вращение фазы входного широкополосного ФМ сигнала по другому направлению разветвления;
- перемножение части входного широкополосного ФМ сигнала, подверженного фазовращению, с его частотно-инверсной копией;
- формирование сигнала управления для синхронизации генератора.

Анализ способа синхронного детектирования показывает, что он обладает большей помехозащищенностью при значительной простоте реализации, чем описанные выше способы возведения в квадрат и синфазно-квадратурного перемножения, однако не лишен ряда недостатков [6, стр. 214], [7, стр. 52], описанных ниже, снижающий его помехозащищенность.

Целью изобретения является повышение помехозащищенности способа восстановления несущей частоты ФМ сигналов и упрощение реализации этого способа.

Для достижения поставленной цели предлагается способ инверсно-квадратурного восстановления несущей частоты ФМ сигнала, включающий: прием и разветвление ФМ сигнала, генерацию перестраиваемого по частоте синусоидального сигнала, формирование частотно-инверсного сигнала генерируемым синусоидальным сигналом, перемножение ответвленного и частотно-инверсного ФМ сигналов, интегрирование (накопление) результата перемножения и формирование сигнала управления частотой генерируемого сигнала в соответствии с результатами интегрирования.

Согласно изобретению перестраиваемый по частоте синусоидальный сигнал генерируют на частоте второй гармоники несущей частоты принятого ФМ сигнала, затем одну часть энергии принимаемого сигнала преобразуют по частоте генерируемым сигналом в частотно-инверсный ФМ сигнал, перемножают его с ответвленным входным широкополосным ФМ сигналом и по результатам интегрирования сигналом управления синхронизируют фазу генерируемого сигнала относительно фазы несущей частоты принятого ФМ сигнала, а сигнал восстановленной несущей формируют, путем деления на два установившегося значения частоты генерируемого сигнала.

Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого способа из литературы не известны, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

На чертеже приведена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Предлагаемый способ использует свойство амплитудной и фазовой симметрии спектра ФМ сигналов относительно несущей. Для амплитуды это четная симметрия, а для фазы - нечетная [5, стр. 95]. При преобразовании входного ФМ сигнала с помощью опорного сигнала, с частотой в два раза больше частоты несущей ФМ сигнала формируется частотно-инверсный ФМ сигнал (с симметричной взаимной перестановкой спектральных составляющих относительно несущей частоты исходного ФМ сигнала), ортогональный по фазе и полностью эквивалентный исходному.

При перемножении исходного и частотно-инверсного ФМ сигналов формируется сигнал управлении, обеспечивающий синхронизацию частоты генератора (ГУН) относительно принимаемого несущего колебания. При этом сопутствующие сигналу помехи в исходном и частотно-инверсном спектрах ФМ сигналов оказываются ассимметричными относительно несущей сигнала, их взаимная корреляция отфильтровывается пропорционально-интегрирующим фильтром цепи управления, что минимизирует их вклад в сигнал управления и тем самым повышает помехозащищенность устройства.

Предлагаемый способ содержит следующую последовательность операций:
- прием и разветвление входного широкополосного ФМ сигнала на два направления;
- генерирование перестраиваемого по частоте синусоидального сигнала на частоте, близкой второй гармонике несущей частоты входного ФМ сигнала;
- преобразование одной части ответвленного ФМ сигнала по частоте генерируемым синусоидальным сигналом в частотно-инверсную копию входного ФМ сигнала;
- перемножение части входного широкополосного ФМ сигнала с его частотно-инверсной копией;
- формирование сигнала управления для синхронизации генератора;
- формирование сигнала восстановленной несущей путем деления на два установившегося значения частоты генерируемого сигнала.

Устройство, реализующее предложенный способ, содержит последовательно включенные перемножитель 1, интегратор (пропорционально-интегрирующий фильтр) 2 и генератор, управляемый напряжением (ГУН) 3. Выход ГУН 3 через смеситель 4 подключен к одному из входов перемножителя 1, второй вход которого подключен к одному из выходов разветвителя 5, второй выход которого подключен ко второму входу смесителя 4. Вход разветвителя 5 является входом устройства, а выход ГУН 3 подключен также к входу делителя частоты на два 6, выход которого является выходом устройства.

Устройство, реализующее предложенный способ, работает следующим образом.

Одна часть принятого после разветвления широкополосного ФМ сигнала поступает на первый вход смесителя 4, а другая - на первый вход перемножителя 1. На другой вход смесителя 4 подается синусоидальный сигнал опорного генератора 3, частота которого равна удвоенной частоте несущей входного ФМ сигнала. В результате на выходе смесителя 4 формируется частотно-инверсная копия входного ФМ сигнала. Полученная частотно-инверсная копия сигнала и исходный ФМ сигнал в перемножителе 1 перемножаются. В установившемся режиме синхронизации каждая отдельная частотная составляющая исходного сигнала находится в квадратуре (ортогональна по фазе) с соответствующей частотной составляющей частотно-инверсного сигнала. В результате сигнал управления на выходе перемножителя 1 близок к нулю. При наличии частотной расстройки (переходной режим) между несущей исходного ФМ сигнала и несущей частотно-инверсной копии, сигнал управления обеспечивает ввод в синхронизацию генератора 3.

Приведенное в приложении математическое обоснование допустимого фазового сдвига широкополосного ФМ сигнала для прототипа показывает, что он должен быть равным ϕ = n^*π, где n=0, 1, 2, 3,.... Только в этом случае вектор опорного сигнала генератора будет синфазен вектору несущей входного ФМ сигнала, и потери будут равны нулю. Причем поворот фазы осуществляется для входного широкополосного ФМ сигнала в одном из направлений его разветвления.

Известно, что аппаратная реализация абсолютно линейного по частоте широкополосного фазовращателя практически невозможна. В результате при формировании копии ФМ сигнала, прошедшего фазовращение, отсутствует его полная корреляция с исходным входным ФМ сигналом, что приводит к усложнению реализации, потерям и более низкой помехозащищенности, чем схема предлагаемого способа.

Кроме этого, операция умножения, выполняемая в способе-прототипе, довольно сложна в реализации. Это объясняется тем, что в схеме по способу-прототипу синусоидальный сигнал синтезируется на частоте, равной второй гармонике несущей ФМ сигнала, путем выполнения как минимум трех операций: сначала синусоидальный сигнал генерируют на частоте, равной несущей ФМ сигнала, затем осуществляют нелинейную операцию умножения и фильтрацию. Операция фильтрации необходима, так как в противном случае неотфильтрованный синусоидальный сигнал несущей снизит помехозащищенность схемы восстановления несущей за счет паразитных составляющих в контуре слежения за несущей.

К этому следует добавить, что умножение частоты в два раза характеризуется возрастанием уровня фазовых шумов на 6 дБ по отношению к генерируемому [8, 9, 10], что приводит соответственно к ухудшению на 6 дБ помехозащищенности в способе-прототипе в соответствии с представленным соотношением
(N_сp/C)₂=n²(N_op/C)₁=4(N_op/C)₁,
где N_op - спектральная плотность мощности фазового шума,
С - мощность несущей.

В предложенном решении формирование восстановленной несущей осуществляется операцией деления на два, что дополнительно, по отношению к прототипу, увеличивает помехозащищенность предлагаемого способа, так как при прохождении через делитель частоты, как и при прохождении через аналоговый делитель, частота паразитной угловой модуляции не изменяется, а ее индекс уменьшается в коэффициент деления раз [9, стр. 77].

Проведенные экспериментальные исследования на макете устройства, реализованного по предложенному способу, подтвердили расчетные данные и преимущества предложенного способа, при этом получено повышение помехозащищенности на 2-3 дБ выше, чем в схеме по способу-прототипу, при работе с реальными ФМ сигналами с пониженной энергетикой.

В настоящее время предложенное решение используется как базовый элемент при создании устройств отработки многофазных ФМ сигналов во многих разработках института.

Предложенный способ обеспечивает следующий технико-экономический эффект:
- повышение помехозащищенности при восстановлении несущей ФМ сигнала на 2-3 дБ вследствие уменьшения уровня помехи в сигнале управления опорного генератора;
- упрощение реализации, за счет исключения сложных операций умножения частоты и широкополосного фазовращения.

Кроме того, испытания показали, что предлагаемый способ может быть с успехом использован при обработке амплитудно-модулированных, монохроматических и сигналов типа DSB (AM с подавленной несущей).

Литература
1. Спилкер Дж. "Цифровая спутниковая связь", пер. с англ. под ред. В.В. Маркова - М. Связь. 1979 г.

2. Банкет В.Л., Мельник А.М. "Системы восстановления несущей при когерентном приеме дискретных сигналов". "Зарубежная радиоэлектроника", 12, 1983 г., стр. 28-29.

3. Stan Goldman "Phase-noise leakage through a miker, MSN, November 1987, 11.

4. Патент Японии 52-4902, перевод "Способ синхронного детектирования фазо-модулированных сигналов".

5. "Шумоподобные сигналы в системах передачи информации", под ред. проф. Пестрякова, М. Сов. радио, 1973 г.

6. Кловский Д.Д., Шилкин В.А. "Теория передачи сигналов в задачах". Учебн. пособие для ВУЗов - М. Связь 1978 г.

7. Витерби Э.Д. "Принципы когерентной связи". Пер. с англ. Под ред. Левина Б.Р., Советское радио. 1970 г.

8. Синтезаторы частот (теория и проектирование) Манасевич В., пер. с англ. под ред. А.С. Галина. М. Связь 1979 г., 384 с.

9. Шапиро Д. Н. , Паин А.А. "Основы теории синтеза частот". М. Радио и связь, 1981 г., 264 с.

10. Pobins W.P. "Phase noise in signal sources, London, 1983 г.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в аппаратуре систем связи с фазоманипулированными (ФМ) сигналами. Техническим результатом является повышение помехозащищенности и упрощение реализации при восстановлении несущей ФМ сигналов. Способ инверсно-квадратурного восстановления несущей ФМ сигнала состоит в том, что перестраиваемый по частоте синусоидальный сигнал генерируют на частоте второй гармоники несущей частоты принятого ФМ сигнала, затем одну часть энергии принимаемого сигнала преобразуют по частоте генерируемым сигналом в частотно-инверсный ФМ сигнал, перемножают его с ответвленным входным широкополосным ФМ сигналом и по результатам интегрирования сигналом управления синхронизируют фазу генерируемого сигнала относительно фазы несущей частоты принятого ФМ сигнала, а сигнал восстановленной несущей формируют путем деления на два установившейся частоты генерируемого сигнала. 1 ил.

Способ инверсно-квадратурного восстановления несущей частоты фазоманипулированного сигнала, заключающийся в том, что принимают и разветвляют фазоманипулированный сигнал, генерируют перестраиваемый по частоте синусоидальный сигнал, которым преобразуют одну ответвленную часть принимаемого сигнала в частотно-инверсный фазоманипулированный сигнал, перемножают полученный сигнал с другой ответвленной частью, интегрируют результат перемножения, формируют сигнал управления частотой генерируемого сигнала в соответствии с результатом интегрирования и восстанавливают сигнал несущей частоты, отличающийся тем, что перестраиваемый по частоте синусоидальный сигнал генерируют на частоте второй гармоники несущей частоты принятого фазоманипулированного сигнала, сформированным сигналом управления синхронизируют фазу генерируемого сигнала относительно фазы несущей частоты принятого фазоманипулированного сигнала, а сигнал восстановленной несущей формируют путем деления на два установившегося значения частоты генерируемого сигнала.