ДЕМОДУЛЯТОР СИГНАЛОВ ШЕСТНАДЦАТИПОЗИЦИОННОЙ КВАДРАТУРНОЙ АМПЛИТУДНОЙ МАНИПУЛЯЦИИ Российский патент 2005 года по МПК H04L27/38 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при демодуляции сигналов шестнадцатипозиционной квадратурной амплитудной манипуляции (КАМ-16).

Известен демодулятор сигналов квадратурной амплитудной манипуляции, содержащий два фазовых детектора, два фильтра нижних частот, два перемножителя, управляемый генератор и сумматор. Выходы перемножителей соединены со входами сумматора. Выход управляемого генератора соединен со вторым входом первого фазового детектора, первый вход которого является входом устройства (см. а.с №1758899, МКИ 5 Н 04 L 27/38, опубл. в БИ №32 30.08.92 г.) [1].

Недостатком известного демодулятора является его низкая помехоустойчивость, обусловленная тем, что в известном демодуляторе не происходит обнаружения и устранения амплитудной неидентичности синфазного и квадратурного каналов, т.е. устранения неравенства коэффициентов передачи по синфазному и квадратурному каналам, иначе называемых квадратурными подканалами. Между тем амплитудная неидентичность синфазного и квадратурного каналов демодуляторов на практике вносит основной вклад в ухудшение помехоустойчивости демодуляторов сигналов с комбинированной амплитудно-фазовой манипуляцией [2]. Таким образом, отсутствие в известном демодуляторе необходимых технических средств обнаружения и устранения амплитудной неидентичности квадратурных подканалов (АНКП) приводит к его низкой помехоустойчивости.

Известен также демодулятор сигналов шестнадцатипозиционной квадратурной амплитудой манипуляции, содержащий два фазовых детектора (ФД), два блока регенерации (решающих устройства), два модулятора, два вычитателя, сумматор, фильтр и генератор, управляемый напряжением (ГУН). Первый вход первого ФД является входом устройства, а второй вход соединен с выходом ГУН, вход которого соединен с выходом фильтра, вход которого соединен с выходом сумматора. Выходы первого ФД соединены со входами первого блока регенерации, выходы которого соединены со входами первого модулятора. Выходы второго ФД соединены со входами второго блока регенерации, выходы которого соединены со входами второго модулятора. Второй вход второго ФД соединен с выходом ГУН (см. патент RU №2019055, МКИ 5 Н 04 L 27/34, опубл. в БИ №16 30.08.94 г.) [3].

Недостатком известного демодулятора является его низкая помехоустойчивость, обусловленная невозможностью в известном устройстве обнаруживать и устранять АНКП, т.е. недостаток известного демодулятора [3] такой же, как и у описанного ранее устройства [1].

Известен также демодулятор сигналов шестнадцатипозиционной квадратурой амплитудной манипуляции, содержащий первый и второй фазовые детекторы, первое решающее устройство, первый и второй вычитатели, первый четырехпозиционный модулятор, первый и второй перемножители, первый и второй ограничители, фильтр и генератор, управляемый напряжением, причем первый вход первого фазового детектора подключен к входу устройства и к первому входу первого вычитателя, второй вход которого соединен с выходом первого четырехпозиционного модулятора, первый вход которого соединен с выходом генератора, управляемого напряжением, а второй и третий входы - соответственно с первым и вторым выходами первого решающего устройства, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами первого фазового детектора, второй вход которого соединен со вторым входом второго фазового детектора и выходом генератора, управляемого напряжением, вход которого соединен с выходом фильтра. Вход фильтра соединен с выходом второго вычитателя, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго перемножителей, первые входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго ограничителей, вход первого ограничителя соединен со вторым входом второго перемножителя и вторым выходом второго фазового детектора. Вход второго ограничителя соединен со вторым входом первого перемножителя и первым выходом второго фазового детектора, первый вход которого соединен с выходом первого вычитателя, первый, второй, третий и четвертый выходы первого решающего устройства являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым выходами устройства (см. патент RU №2013018, МПК 5 Н 04 L 27/22, опубл. в БИ №9 15.05.94 г.) [4].

Недостатком известного демодулятора является его низкая помехоустойчивость, обусловленная невозможность в известном устройстве обнаруживать и устранять АНКП, т.е. недостаток известного демодулятора [4] такой же, как и у описанного ранее устройства [2].

Известен также демодулятор сигналов шестнадцатипозиционной квадратурной амплитудной манипуляции, содержащий два фазовых детектора, два управляемых усилителя, три счетчика, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), причем выход ЦАП соединен со вторыми входами управляемых усилителей (см. патент RU №2198470, МПК 7 Н 04 L 27/22, опубл. в БИ №4 10.02.2003 г.) [5].

Недостатком известного устройства [5] является его низкая помехоустойчивость, обусловленная следующими факторами.

В известном демодуляторе предусмотрены специальные технические средства, позволяющие обнаруживать АНКП. Вместе с тем принцип обнаружения АНКП в известном демодуляторе принципиально основан на предположении о том, что все сигнальные точки ансамбля КАМ-16 передаются с равной вероятностью, равной 1/16. При этом частоты появления различных сигнальных точек подсчитываются первым и вторым счетчиками, по разнице показаний которых делают вывод о существовании АНКП, после чего обнаруженную АНКП устраняют путем изменения напряжения на вторых входах управляемых усилителей [5].

Вместе с тем предположение о том, что любые сигнальные точки в ансамбле КАМ-16 передаются с одинаковой вероятностью, в общем случае является неверным. При коротких сеансах связи и/или при использовании достаточно длинных синхропризнаков вероятности передачи различных сигнальных точек из ансамбля КАМ-16 могут существенно отличаться друг от друга.

Это приведет к тому, что в известном демодуляторе будет делаться ложный вывод о наличии АНКП, а реализация операций по устранению ложной АНКП приведет к изменению нормативных коэффициентов передачи по квадратурным подканалам и в итоге к низкой помехоустойчивости демодулятора.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству (прототипом) является демодулятор сигналов шестнадцатипозиционной квадратурой амплитудной манипуляции, содержащий первый фазовый детектор, первый вход которого подключен к входу устройства и к первому входу первого вычитателя, второй вход которого соединен с выходом первого четырехпозиционного модулятора, первый вход которого соединен с выходом генератора, управляемого напряжением, а второй и третий входы - соответственно с первым и вторым выходами первого решающего устройства, второй вход первого фазового детектора соединен со вторым входом второго фазового детектора и выходом генератора, управляемого напряжением, вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, вход которого соединен с выходом второго вычитателя, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго перемножителей, первые входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго ограничителей, вход первого ограничителя соединен со вторым входом второго перемножителя и вторым выходом второго фазового детектора, вход второго ограничителя соединен со вторым входом первого перемножителя и первым выходом второго фазового детектора, первый вход которого соединен с выходом первого вычитателя, первый, второй, третий и четвертый выходы первого решающего устройства являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым выходами устройства, первый и второй входы третьего вычитателя соединены соответственно с выходами первого вычитателя и второго четырехпозиционного модулятора, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходом генератора, управляемого напряжением, третьим и четвертым выходами первого решающего устройства, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с первыми входами первого, второго, третьего и четвертого элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выходы которых являются соответственно пятым, шестым, седьмым и восьмым выходами устройства, а вторые входы соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами второго решающего устройства, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами третьего фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом генератора, управляемого напряжением, а первый вход - с выходом сумматора, первый вход которого соединен с первым входом первого вычитателя, а второй вход - с выходом усилителя, вход которого соединен с выходом третьего вычитателя, каждый фазовый детектор содержит первый и второй перемножители, первый и второй фильтры нижних частот и фазовращатель на 90°, причем первые входы обоих перемножителей соединены с первым входом фазового детектора, второй вход которого соединен со вторым входом первого перемножителя и входом фазовращателя на 90°, выход которого соединен со вторым входом второго перемножителя, выходы первого и второго перемножителей соединены со входами соответственно первого и второго фильтров нижних частот, которые являются первым и вторым выходами фазового детектора, каждое решающее устройство содержит первый, второй, третий и четвертый ограничители и первый и второй вычитатели, причем первый вход решающего устройства соединен со входом первого ограничителя и первым входом первого вычитателя, выход которого соединен со входом третьего ограничителя, выход которого является вторым выходом решающего устройства, выход первого ограничителя соединен со вторым входом первого вычитателя и является четвертым выходом решающего устройства, второй вход решающего устройства соединен со входом второго ограничителя и первым входом второго вычитателя, выход которого соединен со входом четвертого ограничителя, выход которого является первым выходом решающего устройства, выход второго ограничителя соединен со вторым входом второго вычитателя и является третьим выходом решающего устройства (см. патент RU №2205519, МПК 7 Н 04 L 27/22, опубл. в БИ №15 27.05.2003 г.) [6] - прототип.

Недостатком устройства прототипа является его недостаточно высокая помехоустойчивость, обусловленная тем, что в нем не происходит обнаружения и устранения АНКП, являющейся основной причиной потери помехоустойчивости демодуляторов КАМ сигналов.

Вместе с тем в устройстве [6] имеется возможность оценивать по каждому из четырех выходов вероятность битовой ошибки. В отличие от устройства [5] такое измерение происходит корректно даже при неравных вероятностях передаваемых символов сигнала КАМ-16. Поскольку технические признаки устройства [6], обеспечивающие реализацию процедуры оценивания вероятности битовой ошибки по каждому из четырех выходов, являются наиболее существенными для реализации операций над сигналами в заявляемом устройстве, то демодулятор [6] был выбран в качестве прототипа.

Технический результат - повышение помехоустойчивости за счет обнаружения и устранения амплитудной неидентичности квадратурных подканалов (АНКП) демодулятора достигается выполнением следующих операций над сигналом:

1) Входной сигнал КАМ-16 при помощи сигнала восстановленной несущей частоты раскладывают на синфазную и квадратурную составляющие, усиливают их в первом и втором управляемых усилителях, подают на решающее устройство и получают на выходе демодулятора тетраду демодулированных символов {A;B;C;D}.

2) При помощи сигнала восстановленной несущей частоты и двух цифровых символов {C;D} из тетрады демодулированных символов {A;B;C;D} формируют на выходе первого четырехпозиционного модулятора сигнал четырехпозиционной фазовой модуляции (ФМ-4).

3) Вычитают из входного сигнала КАМ-16 сформированный сигнал ФМ-4 и полученный в результате вычитания сигнал обрабатывают в схеме Костаса для выработки управляющего напряжения для генератора, управляемого напряжением (ГУН), на выходе которого получают сигнал, восстановленный несущей частоты.

4) При помощи сигнала восстановленной несущей частоты и двух цифровых символов {А;В} из тетрады демодулированных символов {A;B;C;D} формируют на выходе второго четырехпозиционного модулятора второй сигнал ФМ-4.

5) Вычитают второй сигнал ФМ-4 из сигнала разности входного сигнала КАМ-16 и первого сигнала ФМ-4. Таким образом, в результате выполнения этой процедуры над сигналами получают сигнал шумовой компоненты, присутствовавший во входном сигнале. Данный сигнал (шум) по принципиальным ограничениям невозможно использовать для уменьшения вероятности битовой ошибки на выходах демодулятора, зато его можно использовать для оценивания этой вероятности ошибки.

6) Усиливают в К раз полученный шумовой сигнал и суммируют его с входным сигналом КАМ-16.

7) Когерентно демодулируют сигнал КАМ-16, смешанный с усиленным в К раз шумовым сигналом, после чего получают на выходе второго решающего устройства тетраду демодулированных символов {А_к;В_к;С_к;D_к}

8) Сравнивают между собой значения символов А и А_к; В и В_к; С и С_к; D и D_к и формируют поток импульсов несовпадений указанных пар символов.

9) Измеряя частоту импульсного потока несовпадений для каждого из четырех ПАР символов, получают оценку вероятности битовой ошибки в цифровых символах {A,B,C,D} на каждом из четырех выходов демодулятора.

Новыми операциями над сигналами являются следующие:

10) Подсчитывают число несовпадений пар символов {А;А_к} и {В;В_к} на некотором заранее выбранном циклически повторяющемся интервале счета m тактов.

11) Формируют путем цифроаналогового преобразования два напряжения, пропорциональные соответственно текущему числу несовпадений пар символов {А;А_к} и {В;В_к}.

12) Находят разницу между двумя формируемыми напряжениями.

13) Усредняя получаемую разницу напряжений, используют ее как управляющее напряжение для первого и второго управляемых усилителей, осуществляющих усиление сигналов в синфазном и квадратурном каналах демодулятора.

При этом если число несовпадений пар символов {А;А_к} больше (меньше) числа несовпадений пар символов {В;В_к}, то формируют такое управляющее напряжение на вторых входах управляемых усилителей, чтобы оно приводило у увеличению (уменьшению) усиления первого и уменьшению (увеличению) усиления второго управляемых усилителей.

Таким образом, в заявляемом устройстве реализуется не только оценивание вероятности битовой ошибки по каждому из четырех выходов демодулятора, но путем использования информации о разнице в оценках вероятностей битовой ошибки в каждом из символов А и В (четвертый и третий выходы демодулятора) происходит обнаружение и устранение АНКП, т.е. достигается максимально возможная помехоустойчивость демодулятора.

Это достигается тем, что демодулятор сигналов шестнадцатипозиционной квадратурой амплитудной манипуляции содержит первый фазовый детектор, первый вход которого подключен к входу устройства и к первому входу первого вычитателя, второй вход которого соединен с выходом первого четырехпозиционного модулятора, первый вход которого соединен с выходом генератора, управляемого напряжением, а второй и третий входы - соответственно с первым и вторым выходами первого решающего устройства, второй вход первого фазового детектора соединен со вторым входом второго фазового детектора и выходом генератора, управляемого напряжением, вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, вход которого соединен с выходом второго вычитателя, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго перемножителей, первые входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго ограничителей, вход первого ограничителя соединен со вторым входом второго перемножителя и вторым выходом второго фазового детектора, вход второго ограничителя соединен со вторым входом первого перемножителя и первым выходом второго фазового детектора, первый вход которого соединен с выходом первого вычитателя, первый, второй, третий и четвертый выходы первого решающего устройства являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым выходами устройства, первый и второй входы третьего вычитателя соединены соответственно с выходами первого вычитателя и второго четырехпозиционного модулятора, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходом генератора, управляемого напряжением, третьим и четвертым выходами первого решающего устройства, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с первыми входами первого, второго, третьего и четвертого элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выходы которых являются соответственно пятым, шестым, седьмым и восьмым выходами устройства, а вторые входы соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами второго решающего устройства, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами третьего фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом генератора, управляемого напряжением, а первый вход - с выходом сумматора, первый вход которого соединен с первым входом первого вычитателя, а второй вход - с выходом усилителя, вход которого соединен с выходом третьего вычитателя.

При этом каждый фазовый детектор содержит первый и второй перемножители, первый и второй фильтры нижних частот и фазовращатель на 90°, причем первые входы обоих перемножителей соединены с первым входом фазового детектора, второй вход которого соединен со вторым входом первого перемножителя и входом фазовращателя на 90°, выход которого соединен со вторым входом второго перемножителя, выходы первого и второго перемножителей соединены со входами соответственно первого и второго фильтров нижних частот, которые являются первым и вторым выходами фазового детектора.

Каждое решающее устройство содержит первый, второй, третий и четвертый ограничители и первый и второй вычитатели, причем первый вход решающего устройства соединен со входом первого ограничителя и первым входом первого вычитателя, выход которого соединен со входом третьего ограничителя, выход которого является вторым выходом решающего устройства, выход первого ограничителя соединен со вторым входом первого вычитателя и является четвертым выходом решающего устройства, второй вход решающего устройства соединен со входом второго ограничителя и первым входом второго вычитателя, выход которого соединен со входом четвертого ограничителя, выход которого является первым выходом решающего устройства, выход второго ограничителя соединен со вторым входом второго вычитателя и является третьим выходом решающего устройства.

Согласно изобретению он содержит дополнительно первый и второй управляемые усилители, первый, второй и третий счетчики, первый и второй цифроаналоговые преобразователи, четвертый вычитатель и второй фильтр нижних частот, причем первый и второй выходы первого фазового детектора соединены соответственно с первыми входами первого и второго управляемых усилителей, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами первого решающего устройства, вторые входы первого и второго управляемых усилителей соединены с выходом второго фильтра нижних частот, вход которого соединен с выходом четвертого вычитателя, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго цифроаналоговых преобразователей, входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго счетчиков, входы которых соединены, соответственно, с седьмым и восьмым выходами демодулятора, вторые входы первого и второго счетчиков соединены с выходом третьего счетчика.

Введение первого и второго управляемых усилителей, трех счетчиков, двух цифроаналоговых преобразователей (ЦАП), четвертого вычитателя и второго фильтра нижних частот позволяет в течение реального сеанса связи по любому сигналу КАМ-16 (не обязательно скремблированному, т.е. с неравными вероятностями передачи различных сигнальных точек) осуществлять сравнение вероятностей битовой ошибки по четвертому и третьему выходам демодулятора и при их неравенстве, т.е. обнаружении АНКП, вырабатывать управляющее напряжение для ее компенсации через вторые (управляющие) входы управляемых усилителей, включенных в синфазный и квадратурный подканалы.

На фиг.1 и фиг.2 приведена функциональная схема демодулятора сигналов КАМ-16.

На фиг.3 приведена функциональная схема фазового детектора.

На фиг.4 приведена функциональная схема решающего устройства.

На фиг.5 показано влияние АНКП на возрастание битовой ошибки по одному из выходов демодулятора.

На функциональной схеме демодулятора не приведены цепи, не являющиеся существенными в данном случае: цепи питания и тактовой синхронизации.

Демодулятор сигналов шестнадцатипозиционной квадратурной амплитудной манипуляции (фиг.1 и фиг.2) содержит первый фазовый детектор (ФД)1, второй ФД2 и третий ФД3, первое решающее устройство (РУ)4 и второе РУ5, первый четырехпозиционный модулятор (ЧПМ)6 и второй ЧПМ7, первый, второй и третий вычитатели 8, 9 и 10, сумматор 11, усилитель 12, первый и второй перемножители 13 и 14, первый и второй ограничители 15 и 16, первый фильтр нижних частот (ФНЧ) 17, генератор, управляемый напряжением (ГУН) 18, первый, второй, третий и четвертый элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 19, 20, 21 и 22, первый-третий счетчики 23-25, первый и второй ЦАП 26 и 27, четвертый вычитатель 28, второй ФНЧ 29, первый и второй управляемые усилители 30 и 31.

Демодулятор имеет вход 32 и первый-восьмой выходы 33-40.

Первый вход первого фазового детектора 1 подключен к входу устройства и к первому входу первого вычитателя 8, второй вход которого соединен с выходом первого четырехпозиционного модулятора 6, первый вход которого соединен с выходом генератора 18, управляемого напряжением, а второй и третий входы - соответственно с первым и вторым выходами первого решающего устройства 4. Второй вход первого фазового детектора 1 соединен со вторым входом второго фазового детектора 2 и выходом генератора 18, управляемого напряжением, вход которого соединен с выходом первого ФНЧ 17, вход которого соединен с выходом второго вычитателя 9, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго перемножителей 13 и 14, первые входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго ограничителей 15 и 16. Вход первого ограничителя 15 соединен со вторым входом второго перемножителя 13 и вторым выходом второго фазового детектора 2, вход второго ограничителя 16 соединен со вторым входом первого перемножителя 13 и первым выходом второго фазового детектора 2, первый вход которого соединен с выходом первого вычитателя 8. Первый, второй, третий и четвертый выходы первого решающего устройства 4 являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым выходами 33-36 устройства. Первый и второй входы третьего вычитателя 10 соединены соответственно с выходами первого вычитателя 8 и второго четырехпозиционного модулятора 7, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходом генератора 18, управляемого напряжением, третьим и четвертым выходами первого решающего устройства 4, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с первыми входами первого, второго, третьего и четвертого элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 19-22, выходы которых являются соответственно пятым, шестым, седьмым и восьмым выходами 37-40 устройства, а вторые входы соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами второго решающего устройства 5, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами третьего фазового детектора 3, второй вход которого соединен с выходом генератора 18, управляемого напряжением, а первый вход - с выходом сумматора 11, первый вход которого соединен с первым входом первого вычитателя 8, а второй вход - с выходом усилителя, вход которого соединен с выходом третьего вычитателя 10. Первый и второй выходы первого фазового детектора 1 соединены соответственно с первыми входами первого и второго управляемых усилителей 30 и 31, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами первого решающего устройства 4, вторые входы первого и второго управляемых усилителей 30 и 31 соединены с выходом второго ФНЧ 29, вход которого соединен с выходом четвертого вычитателя 28, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго цифроаналоговых преобразователей 26 и 27, входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго счетчиков 23 и 24, входы которых соединены соответственно с седьмым и восьмым выходами 39 и 40 демодулятора, вторые входы первого и второго счетчиков 23 и 24 соединены с выходом третьего счетчика 25.

Коэффициенты передачи первого вычитателя 8 по первому входу +1, по второму - ¹/₂; коэффициенты передачи второго вычитателя 9 по первому входу -1, по второму +1; коэффициенты передачи третьего вычитателя 10 по первому входу +1, по второму входу -1; коэффициенты передачи четвертого вычитаталя по первому входу +1, по второму входу -1.

Каждый фазовый детектор 1, 2 и 3 (фиг.3) содержит первый и второй перемножители 41 и 42, первый и второй фильтры нижних частот (ФНЧ) 43 и 44 и фазовращатель на 90° 45. Первые входы обоих перемножителей 41 и 42 соединены с первым входом ФД 1, 2 и 3, второй вход которого соединен со вторым входом первого перемножителя 41 и входом фазовращателя на 90° 45, выход которого соединен со вторым входом второго перемножителя 42, выходы первого и второго перемножителей 41 и 42 соединены с входами соответственно первого и второго ФНЧ 43 и 44, которые являются соответственно первым и вторым выходами ФД 1, 2 и 3.

Каждое решающее устройство РУ (фиг.4) 4 и 5 содержит первый, второй, третий и четвертый ограничители 46, 47, 48 и 49 и первый и второй вычитатели 50 и 51. Первый вход РУ 4 и 5 соединен с входом первого ограничителя 46 и первым входом первого вычитателя 50, выход которого соединен со входом третьего ограничителя 48, выход которого является вторым выходом РУ 4 и 5. Выход первого ограничителя 46 соединен со вторым входом первого вычитателя 50 и является четвертым выходом РУ 4 и 5. Второй вход РУ 4 и 5 соединен со входом второго ограничителя 47 и первым входом второго вычитателя 51, выход которого соединен со входом четвертого ограничителя 49, выход которого является первым выходом РУ 4 и 5. Выход второго ограничителя 47 соединен со вторым входом второго вычитателя 51 и является третьим выходом РУ 4 и 5.

Ограничители 15, 16, 46-49 представляют собой компараторы напряжения с нулевым порогом срабатывания (пороговым напряжением, равным нулю).

Коэффициенты передачи первого и второго вычитателей 50 и 51 по первым входам +1, по вторым входам -1.

Демодулятор работает следующим образом.

На вход демодулятора поступает сигнал КАМ-16, который в декартовом базисе может быть представлен в виде

где ω₀ - несущая частота сигнала КАМ - 16;

А, В, С, Д - выбираемые из набора {+1;-1} информационные символы;

N(t) - аддитивный шум.

Преобразуем выражение (1) к следующему виду:

где

Анализ выражении (3) и (4) показывает, что каждое из них описывает сигнал четырехпозиционной фазовой манипуляции ФМ-4, причем в качестве информационных сигналов выступают наборы {А;В} и {С;Д} соответственно.

Выражение (2) хорошо согласуется с принципом так называемого суперпозиционного формирования сигнала КАМ-16 (см. Полежаев В.А., Визель А.А Высокоскоростные фазовые модуляторы и демодуляторы для цифровых систем передачи СВЧ-диапазона. Зарубежная радиоэлектроника, 1980, №3) [2], при котором сигнал КАМ-16 образуется путем суммирования двух сигналов ФМ-4, из которых один ослаблен относительно другого на 6∂Б (это соответствует множителю ¹/₂ в выражении (2)).

На вторые входы (входы опорного колебания) всех ФД 1, 2 и 3 приходит с выхода ГУН 18 сигнал вида:

где ϕ - фазовое рассогласование.

В соответствии с этим и принципом работы блоков 41-45 на первом выходе первого ФД1 (фиг.3) будет формироваться сигнал

а на втором выходе первого ФД 1 будет формироваться сигнал

где n₁(t) и n₂(t) - квадратурные низкочастотные составляющие шумового процесса N(t).

Перемножители 13 и 14, ограничители 15 и 16, второй вычитатель 9 и первый ФНЧ 17 образуют известную схему Костаса, позволяющую формировать на выходе второго вычитателя 9 для сигнала ФМ-4 управляющее напряжение для восстановления несущей частоты в петле фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).

В состоянии захвата ϕ→0 и, в соответствии с выражениями (6), (7) и логикой работы РУ4 (фиг.4), на его первом - четвертом выходах будут формироваться переданные символы D, C, B, А соответственно (в соответствии с принципом работы блоков 46-51).

Тогда на выходе первого ЧПМ6 будет сформирован сигнал вида S₂ (см. выражение (4)) и, соответственно, на выходе первого вычитателя 8 будет формироваться сигнал S₈ вида

Подставляя в выражение (8) выражение (2), получаем

Поскольку на выходе второго ЧПМ7 формируется сигнал S₁ вида (3), то на выходе третьего вычитателя 10 формируется сигнал S₁₀ вида

S₁₀=S₈-S₁

S₁₀=N(t).

После этого сигнал N(t), выделенный таким образом из входной смеси (1) сигнала с шумом, проходя через усилитель 12 с коэффициентом усиления К и сумматор 11, добавляется к входному сигналу S_вx., что эквивалентно ухудшению отношения сигнал/шум смеси, поступающей на первый вход третьего ФД3.

Выделенный таким образом шум (из входной смеси сигнала и шума) не может быть никаким образом (например, путем вычитания N(t) из S_вx.) использован для улучшения помехоустойчивости демодуляции сигналов в ФД1 - РУ4. Это связано с тем, что собственно процедура получения реализации шума N(t) на каждом интервале длительности символа сигнала КАМ-16 реализуется только в предположении об отсутствии ошибок на выходах РУ4 (границами такого допущения является теория потенциальной помехоустойчивости А.Котельникова).

Таким образом, выделенный из входного сигнала шум N(t) никаким образом нельзя использовать для уменьшения самой вероятности битовой ошибки на выходах демодулятора 33-36, зато его можно использовать для оценки вероятности этой ошибки (т.е. качества сигнала). Такая оценка вероятности битовой ошибки может быть получена потребителем с выходов 37-40 демодулятора.

Оценка вероятности битовой ошибки происходит путем выполнения следующих операций над сигналом.

Как известно, при демодуляции независимых и равновероятных символов сигнала КАМ-16 вероятность ошибки в символе вычисляется с помощью некоторой функции

Р_с=f(R_вх),

где Р_с - вероятность ошибки в символе;

R_вx. - входное отношение сигнал/шум.

При кодировании сигнала КАМ-16 манипуляционным кодом Грея (что практически всегда реализуется на практике).

P≈¹/₄Pc,

где Р - вероятность ошибки в бите, т.е. вероятность ошибки в каждом из четырех парциальных каналов, т.е. выходах демодулятора 33-36.

Точное аналитическое выражение функции f для сигналов КАМ-16 имеет достаточно сложный вид, поэтому на практике обычно пользуются широко известными графическими представлениями функции (см., например, Феер К. Беспроводная цифровая связь. - М.: Радио и связь, 2000 г. - с.248, рис. 4.8.3) [7].

По известным из литературы (например, [7]) зависимостям

P=¹/₄P_с=¹/₄f(R_вх),

можно найти следующее характерное значение вероятности ошибки в каждом парциальном канале, т.е. в каждом из выходов 33-36 демодулятора:

Р=10^-4 при R_вх=13,2∂Б.

На выходе сумматора 11 отношение сигнал/шум меньше, чем входное отношение сигнал/шум.

Отношение сигнал/шум R₁₁ на выходе сумматора 11 находят из следующих формул:

где S_кам - входной полезный сигнал КАМ-16.

Из последнего выражения следует, что третий ФД3 демодулирует сигнал КАМ-16 в условиях отношения сигнал/шум, на 10 lg(1+K)∂Б меньшего, чем первый ФД1. В частности, при К=1 уменьшение отношения сигнал/шум составляет 6∂Б.

Первый - четвертый элементы ИЛИ 19-22 осуществляют сравнение сигналов на соответствующих выходах решающих устройств 4 и 5 (А и А_к; В и В_к; С и С_к; D и D_к). Если R_вх достаточно велико, то вероятностью ошибки на выходе первого РУ4 можно пренебречь и считать, что все импульсы несовпадения на пятом - восьмом выходах демодулятора 37-40 есть следствие ухудшения отношения сигнал/шум на величину 10 lg(1+К), ∂Б.

Тогда, измеряя частоту появления импульсов на пятом-восьмом выходах устройства 37-40, можно оценить вероятность ошибки соответственно на первом - четвертом выходах 33-36 устройства.

Таким образом, измеряя Р_н, можно найти R_вx при помощи решения обратного уравнения

P_н=¹/₄f(R_вх-10 lg(1+K)),

где Р_н - частота появления импульсов на пятом - восьмом выходах устройства 37-40, т.е. вероятность несовпадения символов А и А_к (или В и В_к, или С и С_к, или D и D_к).

Зная R_вх, при помощи прямого решения уравнения

P=¹/₄f(R_вх)

можно найти вероятность ошибки в каждом из парциальных цифровых каналов (на каждом их четырех выходов 33-36 демодулятора сигналов КАМ-16).

Например, пусть R_вx составляет величину более 10∂Б, неизвестную точно, и, соответственно, не известно точное значение Р. Пусть коэффициент усиления усилителя 12 К выбран таким, что это на выходе сумматора 11 приводит к ухудшению отношения сигнал/шум на 3∂Б.

Допустим, что измеренная частота импульсов несовпадений сигналов А и А_к составляет Р_н=5*10^-2. Тогда по кривой f(R_вx-3∂Б) можно найти, что R_вx=10∂Б и, соответственно, по кривой f(R_вx) можно найти, что Р=5*10^-5.

Таким образом, за счет формирования шумовой компоненты из входного сигнала и с ее помощью ухудшения отношения сигнал/шум в контрольном фазовом детекторе в заявляемом демодуляторе происходит измерение вероятности ошибки в каждом их четырех парциальных цифровых каналов.

Покажем теперь, каким образом оцененная вероятность ошибки в символах А и В (четвертый 36 и третий 35 выходы демодулятора соответственно) может быть использована для обнаружения и устранения АНКП, являющейся основной причиной энергетических потерь демодулятора, т.е. его низкой помехоустойчивости.

В соответствии с общепринятым представлением квадратурных сигналов как осей в декартовой системе координат, представим сигналы S₁ и S₂ (см. формулы (6) и (7)) в виде, изображенном на фиг.5). Пусть в конкретный момент времени на вход демодулятора поступает некоторая сигнальная точка F из ансамбля КАМ-16, отображаемая на сигнальной плоскости в квадратурных осях S₁ и S₂ как F₁. В том случае если амплитудная неидентичность синфазного и квадратурного подканалов отсутствует, то расстояния от точки F₁ до границ принятия решений одинаковы и равны Этой ситуации на фиг.5 соответствует окружность, показанная непрерывной линией. Соответственно этому вероятности ошибки в символах А и В при этом будут одинаковы.

В том же случае если в демодуляторе имеет место АНКП, то та же точка F из ансамбля КАМ-16 будет смещена на сигнальной плоскости относительно своего номинального значения. Так, например, если в демодуляторе существует недостаточный по отношению к номинальному коэффициент передачи по квадратурному каналу, то точка F займет на сигнальной плоскости положение F₂, а ее проекция на ось S₂ составит не номинальное значение y₁, а уменьшенное значение y₂.

Этой ситуации соответствует окружность, показанная на фиг.5 пунктирной линией.

При этом принципиальным является то, что в этом случае увеличивается вероятность ошибки по каналу В (третий выход демодулятора), поскольку расстояние до границы принятия решений по оси S₂ уменьшается в

тогда как вероятность ошибки по каналу А (четвертый выход демодулятора) остается неизменной, поскольку расстояние до границы принятия решений по оси S₁ также остается неизменным, равным

Дополнительное увеличение вероятности ошибки по одному из выходов демодулятора, связанное с АНКП, иллюстрирует заштрихованный сектор на фиг.5.

Из четырех импульсных потоков несовпадений на пятом-восьмом выходах 37-40 демодулятора в качестве наиболее критичных к АНКП были выбраны потоки, соответствующие именно символам А и В, по следующей причине. Формирование символов А и В происходит в РУ непосредственно на выходах компараторов 46 и 47 с порогами принятия решений, равными нулю, и по этой причине на ошибки в символах А и В менее влияет абсолютный уровень входного сигнала КАМ-16 (в отличие от символов С и D).

Импульсы несовпадений с седьмого выхода 39 и восьмого выхода 40 демодулятора, соответствующие ошибкам в символах В и А соответственно, подсчитываются счетчиками 23 и 24. Счетчик 25 задает интервал счета m тактов, по окончании которого происходит сброс показаний счетчиков 23 и 24 через их вторые входы. Интервал счета m может быть выбран в диапазоне порядка m=16·(1-1000) тактов.

В соответствии с логикой работы блоков 26-29 на выходе второго ФНЧ 29 будет сформировано напряжение тем большее (меньшее), чем больше (меньше) вероятность ошибки в символе В по отношению к вероятности ошибки в символе А, т.е. чем меньше (больше) коэффициент передачи по квадратурному каналу демодулятора (сигнал S₁) коэффициента передачи по его синфазному каналу (сигнал S₁).

Напряжение с выхода второго ФНЧ 29 поступает на вторые (управляющие) входы управляемых усилителей 30 и 31 для управления коэффициентами их усиления и компенсации таким образом имеющейся АНКП.

Управляемые усилители 30 и 31 устроены таким образом, что подача максимального (минимального) напряжения на их вторые входы приводит к установлению минимального (максимального) усиления первого управляемого усилителя 30 и максимального (минимального) усиления второго управляемого усилителя 31.

Таким образом, подсчет в заявляемом демодуляторе числа несовпадений пар символов {А;А_к} и {В;В_к} и сравнение между собой этих несовпадений позволяет сформировать сигнал, несущий информацию об АНКП. Использование после усреднения в втором ФНЧ 29 этого сигнала как управляющего напряжения для управляемых усилителей позволяет устранить (скорректировать) обнаруженную АНКП, что повышает помехоустойчивость заявляемого демодулятора в сравнении с прототипом.

Источники информации

1. А.С. №1758899, МКИ 5 Н 04 L 27/38, опубл. БИ №32, 30.08.92 г.

2. Полежаев В.А., Визель А.А. Высокоскоростные фазовые модуляторы и демодуляторы для цифровых систем передачи СВЧ-диапазона. Зарубежная радиоэлектроника, 1980, №3.

3. Патент RU №2019055, МПК 5 Н 04 L 27/34, опубл. в БИ №16, 30.08.94 г.

4. Патент RU №2013018, МПК 5 Н 04 L 27/22, опубл. в БИ №9 15.05.94 г.

5. Патент RU №2198470, МПК 7 Н 04 L 27/22, опубл. в БИ №4 10.02.03 г.

6. Патент RU №2205519, МПК 7 Н 04 L 27/22, опубл. в БИ №15 27.05.03 г. - прототип.

7. Феер К. Беспроводная цифровая связь. - М.: Радио и связь, 2000. - c.248.

8. Радиотехнические системы передачи информации / Под. ред. В.В.Калмыкова. - М.: Радио и связь, 1990. - с.62-63.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при демодуляции сигналов шестнадцатипозиционной квадратурной амплитудной манипуляции (КАМ-16). Демодулятор сигналов КАМ-16 содержит три фазовых детектора, два решающих устройства, два четырехпозиционных модулятора, три вычитателя, сумматор, усилитель, два перемножителя, два ограничителя, фильтр нижних частот, генератор, управляемый напряжением, четыре элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Технический результат - повышение помехоустойчивости за счет обнаружения и устранения амплитудной неидентичности квадратурных подканалов демодулятора достигается выполнением следующих операций над сигналом: входной сигнал КАМ-16 при помощи сигнала восстановленной несущей частоты раскладывают на синфазную и квадратурную составляющие, усиливают их в первом и втором управляемых усилителях, подают на решающее устройство и получают на выходе демодулятора тетраду демодулированных символов {А;В;С;D}. При помощи сигнала восстановленной несущей частоты и двух цифровых символов {С;D} из тетрады демодулированных символов {А;В;С;D} формируют на выходе первого четырехпозиционного модулятора сигнал четырехпозиционной фазовой модуляции (ФМ-4). 5 ил.

Демодулятор сигналов шестнадцатипозиционной квадратурой амплитудной манипуляции, содержащий первый фазовый детектор, первый вход которого подключен к входу устройства и к первому входу первого вычитателя, второй вход которого соединен с выходом первого четырехпозиционного модулятора, первый вход которого соединен с выходом генератора, управляемого напряжением, а второй и третий входы - соответственно с первым и вторым выходами первого решающего устройства, второй вход первого фазового детектора соединен со вторым входом второго фазового детектора и выходом генератора, управляемого напряжением, вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, вход которого соединен с выходом второго вычитателя, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго перемножителей, первые входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго ограничителей, вход первого ограничителя соединен со вторым входом второго перемножителя и вторым выходом второго фазового детектора, вход второго ограничителя соединен со вторым входом первого перемножителя и первым выходом второго фазового детектора, первый вход которого соединен с выходом первого вычитателя, первый, второй, третий и четвертый выходы первого решающего устройства являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым выходами устройства, первый и второй входы третьего вычитателя соединены соответственно с выходами первого вычитателя и второго четырехпозиционного модулятора, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходом генератора, управляемого напряжением, третьим и четвертым выходами первого решающего устройства, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с первыми входами первого, второго, третьего и четвертого элементов исключающее или, выходы которых являются соответственно пятым, шестым, седьмым и восьмым выходами устройства, а вторые входы соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами второго решающего устройства, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами третьего фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом генератора, управляемого напряжением, а первый вход - с выходом сумматора, первый вход которого соединен с первым входом первого вычитателя, а второй вход - с выходом усилителя, вход которого соединен с выходом третьего вычитателя, каждый фазовый детектор содержит первый и второй перемножители, первый и второй фильтры нижних частот и фазовращатель на 90°, причем первые входы обоих перемножителей соединены с первым входом фазового детектора, второй вход которого соединен со вторым входом первого перемножителя и входом фазовращателя на 90°, выход которого соединен со вторым входом второго перемножителя, выходы первого и второго перемножителей соединены со входами соответственно первого и второго фильтров нижних частот, которые являются первым и вторым выходами фазового детектора, каждое решающее устройство содержит первый, второй, третий и четвертый ограничители и первый и второй вычитатели, причем первый вход решающего устройства соединен со входом первого ограничителя и первым входом первого вычитателя, выход которого соединен со входом третьего ограничителя, выход которого является вторым выходом решающего устройства, выход первого ограничителя соединен со вторым входом первого вычитателя и является четвертым выходом решающего устройства, второй вход решающего устройства соединен со входом второго ограничителя и первым входом второго вычитателя, выход которого соединен со входом четвертого ограничителя, выход которого является первым выходом решающего устройства, выход второго ограничителя соединен со вторым входом второго вычитателя и является третьим выходом решающего устройства, отличающийся тем, что он содержит дополнительно первый и второй управляемые усилители, первый, второй и третий счетчики, первый и второй цифроаналоговые преобразователи, четвертый вычитатель и второй фильтр нижних частот, причем первый и второй выходы первого фазового детектора соединены соответственно с первыми входами первого и второго управляемых усилителей, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами первого решающего устройства, вторые входы первого и второго управляемых усилителей соединены с выходом второго фильтра нижних частот, вход которого соединен с выходом четвертого вычитателя, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго цифроаналоговых преобразователей, входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго счетчиков, входы которых соединены соответственно с седьмым и восьмым выходами демодулятора, вторые входы первого и второго счетчиков соединены с выходом третьего счетчика.