СПОСОБ ДЕМОДУЛЯЦИИ СИГНАЛА МНОГОПОЗИЦИОННОЙ ЧАСТОТНОЙ МАНИПУЛЯЦИИ С ЭКВИДИСТАНТНЫМ РАЗНЕСЕНИЕМ ПО ЧАСТОТЕ, ДЕМОДУЛЯТОР ТАКОГО СИГНАЛА И МАШИНОЧИТАЕМЫЙ НОСИТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК H03D3/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к технике передачи сигналов. Конкретно данное изобретение относится к способу демодуляции сигнала многопозиционной частотной манипуляции с эквидистантным разнесением по частоте, соответствующему демодулятору и машиночитаемому носителю с программой для осуществления этого способа.

Уровень техники

В настоящее время известны различные устройства для демодуляции сигнала многопозиционной частотной манипуляции с эквидистантным разнесением по частоте, используемого в технике передачи.

Так, в патенте США №6.671.333 (30.12.2003) описан, в частности, демодулятор такого сигнала, представляющий собой фактически обычный частотный детектор (демодулятор), который имеет весьма значительный порог демодуляции.

Из патента РФ №2232479 (10.07.2004) известны способ и система для передачи и приема сигналов многопозиционной частотной манипуляции с эквидистантным разнесением по частоте. Однако эти способ и система характеризуются повышенной сложностью, потому что требуют при приеме дополнительного формирования пиков сигнала, индицирующих границы каждого символа.

В патенте США №6.697.440 (24.02.2004) описывается демодулятор сигнала.

Наиболее часто используется в настоящее время квазиоптимальный демодулятор. Например, в патенте США №4.518.922 (21.05.1985) описан демодулятор сигнала многопозиционной частотной манипуляции с эквидистантным разнесением по частоте, содержащий m квадратурных каналов, где m - максимальное число квадратурных частот в сигнале многопозиционной частотной манипуляции с эквидистантным разнесением по частоте, причем каждый квадратурный канал содержит первый и второй перемножители, выходы которых соединены со входами соответственно первого и второго фильтров нижних частот, первые входы всех перемножителей всех квадратурных каналов объединены и являются входом демодулятора, в каждом квадратурном канале ко второму входу первого перемножителя подключен выход фазовращателя на 90°, вход которого объединен со вторым входом второго перемножителя и является опорным входом данного квадратурного канала; формирователь частот, каждый из m выходов которого соединен с опорным входом соответствующего квадратурного канала; решающий блок, выходы которого являются выходами демодулятора.

В том же патенте США №4.518.922 описан и способ демодуляции сигнала многопозиционной частотной манипуляции с эквидистантным разнесением по частоте, заключающийся в том, что формируют подстраиваемую сетку частот от ƒ₁ до ƒ_m, где m - максимальное число частот в сигнале многопозиционной частотной манипуляции с эквидистантным разнесением по частоте ƒ_p=kƒ_t, где ƒ_t - тактовая частота, k=1, 2, ..., причем начальные значения частот в упомянутой сетке размещаются приблизительно в тех областях, где могут находиться точные значения частоты принимаемого сигнала; осуществляют демодуляцию принимаемого сигнала с использованием упомянутой сформированной сетки частот.

Однако известный квазиоптимальный демодулятор имеет все же порог демодуляции, который на 3 дБ выше, чем оптимальный.

Сущность изобретения

Таким образом, имеется необходимость в разработке такого способа демодуляции сигнала многопозиционной ЧМн с эквидистантным разнесением по частоте, а также соответствующего демодулятора, которые позволяли бы понизить порог демодуляции при обеспечении по меньшей мере того же качества демодуляции, как в квазиоптимальном демодуляторе.

Для решения этой задачи в способе демодуляции сигнала многопозиционной ЧМн с эквидистантным разнесением по частоте, заключающемся в том, что формируют подстраиваемую сетку частот от ƒ₁ до ƒ_m, где m - максимальное число частот в сигнале многопозиционной частотной манипуляции с эквидистантным разнесением по частоте ƒ_p=kƒ_t, где ƒ_t - тактовая частота, k=1, 2, ..., причем начальные значения частот в упомянутой сетке размещаются приблизительно в тех областях, где могут находиться точные значения частоты принимаемого сигнала; осуществляют демодуляцию принимаемого сигнала с использованием упомянутой сформированной сетки частот, в соответствии с настоящим изобретением сетку частот формируют с возможностью точной подстройки разнесения по частоте; выделяют при приеме максимальные по модулю значения принимаемого сигнала на всех частотах ƒ_i(i=1, ..., m), переключаемых с тактовой частотой ƒ_t; выделяют тактовую частоту ƒ_t из переключаемых максимальных значений принимаемого сигнала и используют ее для точной подстройки к ней разнесения по частоте ƒ_p; осуществляют настройку сетки подстраиваемых частот с точно подстроенным разнесением по частоте на точные значения частоты принимаемого сигнала; после чего и осуществляют демодуляцию путем когерентного приема принимаемого сигнала с использованием только одного из квадратурных каналов для вынесения решения о наличии или отсутствии сигнала конкретной частоты из числа упомянутых точных значений частоты.

Дополнительное отличие способа по настоящему изобретению состоит в том, что для выделения максимальных по модулю значений принимаемого сигнала значение амплитуды каждой из квадратурных составляющих любой частоты возводят в квадрат, суммируют возведенные в квадрат значения амплитуд в каждой паре квадратурных составляющих одной частоты и извлекают корень квадратный из каждой найденной суммы.

Еще одно отличие способа по настоящему изобретению состоит в том, что подстройку разнесения по частоте к тактовой частоте, выделенной из принимаемого сигнала, осуществляют с помощью первой петли фазовой автоподстройки частоты.

При этом настройку сетки подстраиваемых частот с точно подстроенным разнесением по частоте на точные значения частоты принимаемого сигнала осуществляют с помощью второй петли фазовой автоподстройки частоты.

Для решения той же задачи в демодулятор сигнала многопозиционной частотной манипуляции с эквидистантным разнесением по частоте, содержащий m квадратурных каналов, где m - максимальное число квадратурных частот в сигнале многопозиционной частотной манипуляции с эквидистантным разнесением по частоте; формирователь частот, каждый из m выходов которого соединен с опорным входом соответствующего квадратурного канала; решающий блок, предназначенный для вынесения решения о наличии или отсутствии сигнала конкретной частоты в упомянутом сигнале многопозиционной частотной манипуляции, при этом выходы упомянутого решающего блока являются выходами демодулятора, в соответствии с настоящим изобретением введены m вычислителей значения по модулю, информационные входы которых объединены и являются входом демодулятора; блок выбора максимального по модулю значения, каждый вход которого подключен к выходу соответствующего вычислителя значения по модулю; первый и второй коммутаторы, управляющие входы которых подключены к первому выходу упомянутого блока выбора максимального по модулю значения, а выходы соединены с первым и вторым входами упомянутого формирователя частот; выделитель тактовой частоты, вход которого подключен ко второму выходу упомянутого блока выбора максимального по модулю значения, а выход соединен с третьим входом упомянутого формирователя частот; первый выход каждого квадратурного канала соединен с первым входом соответствующего вычислителя максимального по модулю значения и с соответствующим информационным входом первого коммутатора; второй выход каждого квадратурного канала соединен со вторым входом соответствующего вычислителя максимального по модулю значения, с соответствующим информационным входом второго коммутатора и с соответствующим входом решающего блока; при этом упомянутый формирователь частот выполнен с возможностью формирования сетки из m частот, подстраиваемых по выходным сигналам с упомянутых коммутаторов, с эквидистантным разнесением по частоте, подстраиваемым по выходному сигналу с упомянутого выделителя тактовой частоты, причем первый - m-й выходы формирователя частот подключены к опорным входам соответственно первого - m-го квадратурных каналов.

Дополнительное отличие демодулятора по настоящему изобретению состоит в том, что каждый квадратурный канал содержит первый и второй перемножители, выходы которых соединены со входами соответственно первого и второго фильтров нижних частот, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами квадратурного канала, первые входы первого и второго перемножителей объединены и являются информационным входом квадратурного канала, ко второму входу первого перемножителя подключен выход фазовращателя на 90°, вход которого объединен со вторым входом второго перемножителя и является опорным входом квадратурного канала.

Еще одно отличие демодулятора по настоящему изобретению состоит в том, что вычислитель значения по модулю содержит первый и второй блоки возведения в квадрат, сумматор и блок извлечения квадратного корня, выход которого является выходом вычислителя, входы первого и второго блоков возведения в квадрат являются соответственно первым и вторым входами вычислителя, выходы обоих блоков возведения в квадрат соединены со входами сумматора, выход которого подключен ко входу блока извлечения квадратного корня.

Еще одно отличие демодулятора по настоящему изобретению состоит в том, что формирователь частот содержит первый и второй подстраиваемые генераторы, первый и второй петлевые фильтры, первый - (m-1)-й блоки частотного сдвига, фазовый детектор, частотный детектор и сумматор, первый вход которого является первым входом формирователя частот, а выход подключен через первый петлевой фильтр к управляющему входу первого подстраиваемого генератора, выход которого соединен с сигнальным входом первого блока частотного сдвига и является первым выходом формирователя частот, выход каждого j-го (j=1, ..., m-2) блока частотного сдвига соединен с сигнальным входом (j+1)-го блока частотного сдвига и является (j+1)-м выходом формирователя частот, выход (m-1)-го блока частотного сдвига является m-м выходом формирователя частот, вход частотного детектора является вторым входом формирователя частот, выход частотного детектора соединен со вторым входом сумматора, первый вход фазового детектора является третьим входом формирователя частот, выход фазового детектора подключен через второй петлевой фильтр к управляющему входу второго подстраиваемого генератора, выход которого соединен с управляющими входами первого - (m-1)-го блоков частотного сдвига и вторым входом фазового детектора.

При этом блок частотного сдвига может быть выполнен в виде однополосного модулятора.

Кроме того, согласно настоящему изобретению предлагается машиночитаемый носитель, предназначенный для непосредственного участия в работе компьютера и содержащий программу для осуществления способа демодуляции сигнала многопозиционной ЧМн с эквидистантным разнесением по частоте по настоящему изобретению.

Краткое описание чертежей

Нижеследующее подробное описание иллюстрируется прилагаемыми чертежами, на которых одинаковые или сходные элементы имеют одни и те же ссылочные позиции.

Фиг.1 иллюстрирует принцип многопозиционной частотной манипуляции сигнала с эквидистантным разнесением по частоте на основе сигнала "Clover-II".

Фиг.2 представляет блок-схему демодулятора известного квазиоптимального приемника для демодуляции сигнала многопозиционной ЧМн с эквидистантным разнесением по частоте.

Фиг.3 показывает кривые вероятности битовых ошибок для когерентной демодуляции сигнала многопозицонной ЧМн с эквидистантным разнесением по частоте в Гауссовом канале в зависимости от соотношения мощности сигнала к мощности шума.

Фиг.4 является блок-схемой демодулятора сигнала многопозиционной частотной манипуляции с эквидистантным разнесением по частоте в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.5 является примерной блок-схемой блока выбора максимального по модулю значения для демодулятора по фиг.4.

Фиг.6 является примерной блок-схемой формирователя частот для демодулятора по фиг.4.

Фиг.7 является примерной блок-схемой блока частотного сдвига для формирователя частот по фиг.6.

Подробное описание изобретения

Многопозиционная частотная манипуляция (ЧМн) с эквидистантным разнесением по частоте используется в технике передачи сигналов. Передаваемый сигнал, модулированный многопозиционной манипуляцией с эквидистантным разнесением по частоте, представляет собой сигнал, частота которого может принимать любое значение из m заранее заданных частот, имеющих эквидистантное разнесение по оси частот (фиг.1). Это сигнал "Clover-II", разработанный корпорацией HAL Communications в начале 90-х годов XX века. На основе этого сигнала построен класс модемных методов модуляции, специально разработанных для высокочастотных радиосистем и использованных в таких модемных изделиях этой фирмы, как PCI-4000, Р-38 и DSP-4100 (Clover-II Waveform & Protocol. HAL Communications Corporation. Engineering Document E2006 Rev A. December 17, 1997). Как видно из фиг.1, такой сигнал представляет собой импульсы с периодом следования 32 мс на каждой из четырех несущих частот с разнесением 125 Гц между соседними частотами. Импульсы передаются последовательно с интервалом 8 мс по одному на каждой частоте, после чего цикл повторяется. Данные представляются изменением фазы или амплитуды относительно предыдущего импульса на данной частоте. Разумеется, могут использоваться и иные известные виды сигналов ЧМ (см. заявку США №2004/0190663, публ. 30.09.2004).

Конкретное значение частоты ƒ_i (где i=1, 2, ..., m) на интервале Т передачи одного информационного символа выбирается в соответствии со значением передаваемого символа. Разнесение ƒ_p двух соседних частот в таком сигнале кратно тактовой частоте ƒ_t, т.e. ƒ_p=kƒ_t, где k=1, 2, ... (в частном случае при k=1 разнесение ƒ_p равно тактовой частоте ƒ_t). При этом передаваемый сигнал при любом k не имеет разрывов фазы.

В существующих демодуляторах, использующих обычный частотный детектор для демодуляции сигнала ЧМн с эквидистантным разнесением по частоте (как, например, в упомянутом патенте США №6.671.333), пороговое отношение мощности сигнала к мощности шума (С/Ш) весьма велико.

В случае квазиоптимального демодулятора сигнала ЧМн с эквидистантным разнесением по частоте (как, например, в упомянутом патенте США №4.518.922) это пороговое отношение С/Ш значительно (на 3 дБ) меньше.

В общем случае сигнал многопозиционной ЧМн с эквидистантным разнесением по частоте образует ортогональную систему функций:

S₁(t), S₂(t),..., S_i(t),..., S_m(t),

где

Все сигналы S имеют одинаковую энергию, т.е.:

Формула (1) является определением свойства ортогональности и подсказывает оптимальный метод приема ортогональных сигналов. Этот метод состоит в образовании и последующем сравнении между собой скалярных произведений:

где х - входной (принимаемый) сигнал, у - результат перемножения принимаемого сигнала с сигналом генератора конкретной (i-й) частоты, b - информационная составляющая, n - шумовая составляющая.

Таким образом, схема квазиоптимального демодулятора должна содержать m соответствующих преобразователей и решающий блок, предназначенный для сравнения между собой величин b_i и n_i для каждого i-го значения частоты. Т.е. задача состоит в обнаружении сигналов в i-й собственной частотной области или, иначе говоря, в m-кратном повторении операции обнаружения.

Известный квазиоптимальный демодулятор строится в соответствии с блок-схемой фиг.2. Этот демодулятор содержит m квадратурных каналов 1, где m равно числу составляющих в спектре сигнала МЧн с эквидистантным разнесением по частоте (фиг.1), m вычислителей 2 значения по модулю, решающий блок 3 и m генераторов 4 опорной частоты.

Каждый из m квадратурных каналов 1 содержит первый и второй перемножители 11 и 12, на информационные входы которых подается принимаемый сигнал. Здесь и в дальнейшем предполагается, что принимаемый сигнал предварительно усиливается, фильтруется и переносится на промежуточную частоту, как это общеизвестно из уровня техники. На опорные входы перемножителей 11.i и 12.i (i=1, ..., m) в i-м квадратурном канале 1.i подаются, соответственно, непосредственно и через фазовращатель 13.i на 90° (на π/2), колебания с частотой от соответствующего генератора 4.i опорной частоты. Каждый из генераторов 4 настроен на частоту ƒ_i, находящуюся на соответствующей i-й позиции в спектре передаваемого сигнала (см. фиг.1). К выходам первого и второго перемножителей 11 и 12 в каждом квадратурном канале 1 подключены соответственно первый фильтр 14 нижних частот (ФНЧ) и второй ФНЧ 15.

Выходы первого и второго ФНЧ 14.i и 15.i, являющиеся выходами i-го квадратурного канала 1.i, подключены к первому и второму входам i-го вычислителя 2.i значения по модулю. Любой из вычислителей 2 значения по модулю может быть выполнен по традиционной схеме из первого и второго блоков 21 и 22 возведения в квадрат, сумматора 23 и блока 24 извлечения квадратного корня. При этом входы блоков 21 и 22 возведения в квадрат являются входами вычислителя 2 значения по модулю, а выходы каждого из блоков 21 и 22 возведения в квадрат соединены со входами сумматора 23, выход которого через блок 24 извлечения корня подключен к выходу вычислителя 2 значения по модулю.

Выходы вычислителей 2 значения по модулю в каждом квадратурном канале 1 подключены к соответствующим входам решающего блока 3. Этот решающий блок 3 может быть выполнен в виде m измерителей уровня для сравнения сигнала в соответствующем канале с заранее заданным уровнем и принятия решения на основе этого сравнения.

Передаваемый сигнал, несущий многопозиционную ЧМн, не содержит квадратурных составляющих. Однако при квазиоптимальном приеме необходимость в квадратурных составляющих все же возникает из-за нечеткого равенства частот ƒ_i в принимаемом сигнале с частотами соответствующих генераторов 4.i. Именно вследствие этого при квазиоптимальном приеме пороговое отношение С/Ш ухудшается на 3 дБ по сравнению с теоретически известным оптимальным приемом, как показано на фиг.3. На этом чертеже показаны зависимости вероятности битовой ошибки Р_БИТ.ОШ от отношения С/Ш для видов модуляции с различной кратностью k. Реализацию когерентного оптимального демодулятора можно достичь, если при демодуляции использовать только одну составляющую квадратурного канала. Но для этого нужно обеспечить, чтобы частота каждого из генераторов 4 опорной частоты была точно равна соответствующей позиции по частоте принимаемого сигнала с точностью до фазы. Предлагаемый в настоящем изобретении демодулятор обеспечивает такую подстройку по частоте и последующую оптимальную демодуляцию сигнала многопозиционной ЧМн с эквидистантным разнесением по частоте.

На фиг.4 изображена блок-схема такого демодулятора по настоящему изобретению.

Этот демодулятор, как и в случае квазиоптимальной демодуляции, содержит m квадратурных каналов 1, каждый из которых включает в себя первый и второй перемножители 11 и 12, первые (информационные) входы которых во всех квадратурных каналах 1 объединены и являются входом демодулятора. В каждом i-м квадратурном канале 1.i ко второму (опорному) входу первого перемножителя 11.i подключен выход фазовращателя 13.i на 90°, вход которого объединен со вторым входом второго перемножителя 12.i и является опорным входом 16.i данного квадратурного канала 1.i (i=1, ..., m). В дальнейшем описании отсутствие подстрочных индексов у ссылочных позиций, обозначающих конкретный квадратурный канал 1 или его элементы, означает, что имеется в виду любой (i-й) квадратурный канал 1. Выход каждого из первого и второго перемножителей 11, 12 в каждом квадратурном канале 1 соединен со входом соответственно первого и второго фильтров 14, 15 нижних частот (ФНЧ), выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами 17, 18 данного квадратурного канала 1.

Выходы 17, 18 каждого из m квадратурных каналов 1 соединены со входами одноименного вычислителя 2 значения по модулю. Как и в известном демодуляторе, каждый вычислитель 2 значения по модулю включает в себя первый и второй блоки 21, 22 возведения в квадрат, входы которых являются соответствующими входами вычислителя 2 значения по модулю. Выходы обоих блоков 21, 22 возведения в квадрат соединены со входами сумматора 23, выход которого соединен со входом блока 24 извлечения корня, выход которого является выходом вычислителя 2 значения по модулю. Блоки 21 и 22 возведения в квадрат и блок 24 извлечения корня могут быть построены, например, на операционных усилителях (Ж.Марше. Операционные усилители и их применение. - Ленинград: Энергия, 1974. - С.156-162).

Как и известный демодулятор, предлагаемый в настоящем изобретении демодулятор содержит решающий блок 3, выходы которого являются соответствующими выходами демодулятора и выполнение которого может быть таким же, как и в вышеуказанном квазиоптимальном демодуляторе. Однако в отличие от известного демодулятора в демодуляторе по настоящему изобретению входы решающего блока 3 подключены не к выходам вычислителей 2 значения по модулю, а ко вторым выходам 18 всех квадратурных каналов 1, т.е. к выходам всех вторых ФНЧ 15 этих квадратурных каналов 1.

Кроме того, первые выходы 17 всех квадратурных каналов 1 соединены с соответствующими информационными входами первого коммутатора 7, а вторые выходы 18 всех квадратурных каналов 1 соединены с соответствующими информационными входами второго коммутатора 8.

Выходы же вычислителей 2 значения по модулю всех квадратурных каналов 1 подключены к соответствующим входам блока 5 выбора максимального по модулю значения, первый выход которого соединен с управляющими входами обоих коммутаторов 7 и 8. Второй выход блока 5 выбора максимального по модулю значения соединен со входом выделителя 6 тактовой частоты.

Блок 5 выбора максимального по модулю значения может быть выполнен, например, (фиг.5) в виде m пороговых схем 51, выходы которых образуют первый выход блока 5, предназначенный для переключения коммутаторов 7 и 8. Входы пороговых схем 51 являются соответствующими входами блока 5 и объединены с соответствующими входами схемы 52 развязки, выполняющей роль элемента "монтажного ИЛИ". Выход схемы 52 развязки, представляющей собой в простейшем случае резисторный делитель, является вторым выходом блока 5, предназначенным для подачи сигнала на выделитель 6 тактовой частоты.

Выделитель 6 тактовой частоты представляет собой, например, согласованный фильтр с характеристикой вида , настроенный на тактовую частоту ƒ_t.

Кроме того, демодулятор содержит в своем составе формирователь 9 частот (фиг.6), в который входят первый и второй подстраиваемые генераторы 91 и 92, первый и второй петлевые фильтры 93 и 94, первый - (m-1)-й блоки 95 частотного сдвига, фазовый детектор 96, частотный детектор 97 и сумматор 98. Первый вход сумматора 98 является первым входом формирователя частот, к которому подключен выход первого коммутатора 7. Вход частотного детектора 97, являющийся вторым входом формирователя 9 частот, соединен с выходом второго коммутатора 8. Выход частотного детектора 97 соединен со вторым входом сумматора 98, выход которого подключен через первый петлевой фильтр 93 к управляющему входу первого подстраиваемого генератора 91. Выход первого подстраиваемого генератора 91 соединен с сигнальным входом первого блока 95.1 частотного сдвига и является первым выходом 99.1 формирователя 9 частот. Выход каждого j-го (j=1, ..., m-2) блока 95.j частотного сдвига соединен с сигнальным входом (j+1)-го блока 95.(j+1) частотного сдвига и является (j+1)-м выходом 99.(j+1) формирователя 9 частот, а выход (m-1)-го блока 95.(m-1) частотного сдвига является m-м выходом 99.m формирователя 9 частот. Каждый из выходов 99.i формирователя 9 частот соединен с опорным входом 16.i одноименного квадратурного канала 1.i (где i=1, ..., m). Первый вход фазового детектора 96 является третьим входом формирователя 9 частот, к которому подключен выход выделителя 6 тактовой частоты. Выход фазового детектора 96 подключен через второй петлевой фильтр 94 к управляющему входу второго подстраиваемого генератора 92. Выход второго подстраиваемого генератора 92 соединен с управляющими входами первого - (m-1)-го блоков 95 частотного сдвига и вторым входом фазового детектора 96.

Подстраиваемые генераторы 91 и 92 могут иметь любое подходящее выполнение, к примеру в виде генераторов, управляемых напряжением (ГУН). Первый подстраиваемый генератор 91 генерирует на своем выходе синусоидальный сигнал с частотой вблизи первой опорной частоты ƒ₁, а второй подстраиваемый генератор 92 генерирует на своем выходе синусоидальный сигнал с частотой, примерно равной тактовой частоте ƒ_t. Каждый из блоков 95 частотного сдвига обеспечивает повышение частоты на его сигнальном входе на величину ƒ_t, таким образом на выходах 99 формирователя 9 частот генерируются синусоидальные сигналы, соответствующие частотным составляющим передаваемого сигнала с эквидистантным разнесением по частоте (на величину ƒ_t). Каждый из блоков 95 частотного сдвига может быть выполнен, например, в виде однополосного модулятора и содержит (фиг.7) первый и второй перемножители 951 и 952, первый и второй фазовращатели 953 и 954 на 90° и вычитатель 955. На первый вход первого перемножителя 951 и вход первого фазовращателя 953 на 90° подается косинусная составляющая сигнала с частотой ƒ, которая уже в виде синусной составляющей попадает на первый вход второго перемножителя 952. На второй вход второго перемножителя 952 и вход второго фазовращателя 954 на 90° подается синусоидальная составляющая сигнала тактовой частоты ƒ_t, которая уже в виде косинусной составляющей попадает на второй вход первого перемножителя 951. Сигналы с перемножителей 951 и 952 поступают на вычитатель 955, с выхода которого снимается сигнал суммарной частоты ƒ+ƒ_t. При необходимости получить разностную частоту ƒ-ƒ_t вместо вычитателя 955 необходимо включить сумматор.

Способ демодуляции сигнала многопозиционной частотной манипуляции с эквидистантным разнесением по частоте по настоящему изобретению реализуется в данном демодуляторе (фиг.4) следующим образом. Примем для простоты, что k=1, т.е. частоты в спектре передаваемого сигнала разнесены как раз на тактовую частоту ƒ_t.

Вначале формирователь 9 частот генерирует сетку частот ƒ₁, ..., ƒ_m, примерно соответствующих эквидистантно разнесенным частотам передаваемого сигнала. Одинаковое (эквидистантное) разнесение по частоте обеспечивается тем, что сдвиг каждой следующей частоты ƒ_i+1 относительно предыдущей частоты ƒ_i осуществляется на одну и ту же величину ƒ_t. Такой сдвиг обусловлен работой второго подстраиваемого генератора 92, тогда как задание первой частоты ƒ₁ в сетку частот обеспечивается первым подстраиваемым генератором 91. Однако до начала приема оба подстраиваемых генератора 91 и 92 работают без подстройки.

При поступлении на вход демодулятора принимаемого сигнала в каждом квадратурном канале 1 происходит разложение на синфазную и квадратурную компоненты той частотной составляющей, которая имеет частоту ƒ, близкую к частоте опорного сигнала на опорном входе 16 этого квадратурного канала. Разложение на синфазную и квадратурную компоненты осуществляется с помощью перемножителей 11 и 12, на вторые входы которых опорный сигнал с опорного входа 16 поступает в квадратуре благодаря наличию фазовращателя 13 на 90°. Обе квадратурных составляющих с выходов перемножителей 11 и 12 в конкретном квадратурном канале 1 пропускаются через ФНЧ 14 и 15 соответственно и выдаются на выходы этого квадратурного канала 1.

С выходов квадратурного канала 1 отфильтрованные квадратурные компоненты с конкретной частотой ƒ поступают на входы одноименного вычислителя 2 значения по модулю. Это значение определяется путем вычисления корня квадратного из суммы квадратов обеих квадратурных компонент. Это вычисление может производиться в аналоговом виде, если квадратурные компоненты являются аналоговыми сигналами, либо в цифровом, если квадратурные компоненты получаются в виде отсчетов или переводятся в цифровые отсчеты перед поступлением в вычислитель 2 значения по модулю.

Если в каком-то периоде времени с выходов конкретного квадратурного канала 1.i появляются квадратурные составляющие вследствие того, что в этом периоде происходит передача на частоте ƒ_i, на выходе одноименного вычислителя 2.i значения по модулю появляется сигнал, значение которого будет больше, чем значения на выходах всех остальных вычислителей 2 значения по модулю. При смене частоты принимаемого сигнала (фиг.1) такое значение, превышающее все остальные, появится на выходе другого вычислителя 2 значения по модулю. Блок 5 выбора максимального по модулю значения формирует на своем первом выходе сигнал, обеспечивающий переключение коммутаторов 7 и 8 в соответствии с тем, какой из вычислителей 2 значения по модулю сформировал в данном периоде максимальный сигнал. Это переключение происходит с тактовой частотой ƒ_t. На втором выходе блока 5 выбора максимального по модулю значения формируется сигнал, повторяющийся с тактовой частотой ƒ_t. Выделитель 6 тактовой частоты выдает отфильтрованный сигнал с частотой, в точности равной тактовой частоте ƒ_t, с которой принимаемый сигнал формировался на передающей стороне.

Выделенный сигнал с тактовой частотой ƒ_t поступает на один из входов фазового детектора 96, на другой вход которого подается сигнал с выхода второго подстраиваемого генератора 92. Сигнал с выхода фазового детектора 96, соответствующий расстройке по фазе между сигналами на входах фазового детектора 96, фильтруется вторым петлевым фильтром 94 и подается на управляющий вход второго подстраиваемого генератора 92. При точном равенстве фаз сигналов на входах фазового детектора 96 подстройка второго подстраиваемого генератора 92 прекращается.

В то же самое время с выходов каждого из квадратурных каналов 1 синусные компоненты, представляющие собой сигнал биений между частотой принимаемого сигнала и опорной частотой данного квадратурного канала 1, поступают на входы первого коммутатора 7, а косинусные компоненты - на входы второго коммутатора 8. При смене частоты принимаемого сигнала такие биения появятся на выходе другого квадратурного канала 1. Оба коммутатора 7 и 8 переключаются одним и тем же сигналом с блока 5 выбора максимального по модулю значения, поэтому на выходы коммутаторов 7 и 8 будут поступать сигналы только с того квадратурного канала 1, в котором имеется максимальный сигнал, т.е. с того квадратурного канала 1.i, который в это время принимает передаваемый сигнал с частотой ƒ_i. Результирующий сигнал на выходе коммутатора 7 будет представлять собой сигнал биений, составленный из отдельных отрезков с выходов каждого квадратурного канала 1.

Частотный детектор 97 и сумматор 98 образуют частотно-фазовый детектор. Частотный детектор 97 осуществляет детектирование сигнала с выхода второго коммутатора 8. Сигнал с частотного детектора 97 суммируется с сигналом биений с первого коммутатора 7 и подается через первый петлевой фильтр 93 на управляющий вход первого подстраиваемого генератора 91. Когда частота сигнала на выходе первого подстраиваемого генератора 91, т.е. на первом выходе 99.1 формирователя 7 частот, точно равна частоте ƒ₁ в сетке эквидистантных частот принимаемого сигнала, подстройка первого подстраиваемого генератора 91 заканчивается. При этом все частоты на выходах 99 формирователя 9 частот становятся когерентны соответствующим частотам принимаемого сигнала. Биения на выходе первого коммутатора 7 становятся равны нулю, а постоянная составляющая с выхода второго коммутатора 8 не меняет настройки первого подстраиваемого генератора 91.

Следовательно, в демодуляторе по настоящему изобретению обеспечивается когерентный прием поступающего сигнала. Поэтому решающий блок 3, входы которого подключены к выходам только синфазной компоненты в каждом квадратурном канале 1, принимает решение, как и в известном квазиоптимальном демодуляторе (по фиг.3). Однако, поскольку при этом не используются квадратурные компоненты, ухудшающие, как отмечено выше, пороговое отношение С/Ш на 3 дБ, в демодуляторе по настоящему изобретению это пороговое отношение С/Ш практически соответствует оптимальному.

Специалистам понятно, что вышеприведенное условие k=1 было введено лишь для упрощения пояснений. В случае, когда k>1, работа демодулятора по настоящему изобретению будет осуществляться точно так же, за исключением того, что блоки 95 частотного сдвига будут обеспечивать изменение частоты на величину kƒ_t, а не ƒ_t.

Специалистам понятно, что демодулятор по настоящему изобретению может быть полностью реализован не только в аппаратном, но и в программном виде. При этом принятый сигнал должен быть предварительно дискретизирован, оцифрован и переведен в вид двоичных отсчетов. Эти отчеты будут обрабатываться процессором компьютера в соответствии с программой, алгоритм которой фактически описан выше. Тогда программа, соответствующая выполнению вышеприведенного алгоритма функционирования, посредством исполнения которой в компьютере можно реализовать способ по настоящему изобретению, может быть записана на машиночитаемый носитель, предназначенный для непосредственной работы в составе компьютера.

Изобретение относится к технике передачи сигналов и может использоваться для демодуляции сигнала. Достигаемый технический результат - понижение порога демодуляции. В способе подстраиваемую сетку частот формируют с возможностью точной подстройки разнесения по частоте, выделяют при приеме максимальные по модулю значения принимаемого сигнала на всех частотах, переключаемых с тактовой частотой, выделяют эту тактовую частоту из переключаемых максимальных значений принимаемого сигнала и используют ее для точной подстройки к ней разнесения по частоте, осуществляют настройку сетки подстраиваемых частот с точно подстроенным разнесением по частоте на точные значения частоты принимаемого сигнала, после чего осуществляют демодуляцию путем когерентного приема принимаемого сигнала с использованием только одного из квадратурных каналов для вынесения решения о наличии или отсутствии сигнала конкретной частоты из числа упомянутых точных значений частоты. Демодулятор содержит квадратурные каналы, формирователь частот, решающий блок, вычислители значения по модулю, блок выбора максимального по модулю значения, два коммутатора, выделитель тактовой частоты. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ демодуляции сигнала многопозиционной частотной манипуляции с эквидистантным разнесением по частоте, заключающийся в том, что формируют подстраиваемую сетку частот от ƒ_i до ƒ_m, где m - максимальное число частот в сигнале многопозиционной частотной манипуляции с эквидистантным разнесением по частоте ƒ_p=kƒ_t, где ƒ_t - тактовая частота, k=1, 2, ..., причем начальные значения частот в упомянутой сетке частот размещаются приблизительно в тех областях, где могут находиться точные значения частоты принимаемого сигнала; осуществляют демодуляцию принимаемого сигнала с использованием упомянутой сформированной сетки частот, отличающийся тем, что упомянутую сетку частот формируют с возможностью точной подстройки упомянутого разнесения по частоте; выделяют при приеме максимальные по модулю значения принимаемого сигнала на всех частотах ƒ_i, (i=1, ..., m), переключаемых с тактовой частотой ƒ_t; выделяют сигнал тактовой частоты f_t из упомянутых переключаемых максимальных значений принимаемого сигнала и используют его для упомянутой точной подстройки к нему упомянутого разнесения по частоте ƒ_р; осуществляют настройку упомянутой сетки подстраиваемых частот с точно подстроенным разнесением по частоте на упомянутые точные значения частоты принимаемого сигнала; после чего и осуществляют демодуляцию путем когерентного приема принимаемого сигнала с использованием только одного из квадратурных каналов для вынесения решения о наличии или отсутствии сигнала конкретной частоты из числа упомянутых точных значений частоты.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для упомянутого выделения максимальных по модулю значений принимаемого сигнала значение амплитуды каждой из квадратурных составляющих любой частоты возводят в квадрат, суммируют возведенные в квадрат значения амплитуд в каждой паре квадратурных составляющих одной частоты и извлекают корень квадратный из каждой найденной суммы.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что подстройку упомянутого разнесения по частоте к тактовой частоте, выделенной из принимаемого сигнала, осуществляют с помощью первой петли фазовой автоподстройки частоты.4. Способ по п.3, отличающийся тем, что настройку упомянутой сетки подстраиваемых частот с точно подстроенным разнесением по частоте на упомянутые точные значения частоты принимаемого сигнала осуществляют с помощью второй петли фазовой автоподстройки частоты.5. Демодулятор сигнала многопозиционной частотной манипуляции с эквидистантным разнесением по частоте, содержащий m квадратурных каналов, где m - максимальное число квадратурных частот в сигнале многопозиционной частотной манипуляции с эквидистантным разнесением по частоте; формирователь частот, каждый из m выходов которого соединен с опорным входом соответствующего квадратурного канала; решающий блок, предназначенный для вынесения решения о наличии или отсутствии сигнала конкретной частоты в упомянутом сигнале многопозиционной частотной манипуляции, при этом выходы упомянутого решающего блока являются выходами демодулятора, отличающийся тем, что в него введены m вычислителей значения по модулю, информационные входы которых объединены и являются входом демодулятора; блок выбора максимального по модулю значения, каждый вход которого подключен к выходу соответствующего вычислителя значения по модулю; первый и второй коммутаторы, управляющие входы которых подключены к первому выходу упомянутого блока выбора максимального по модулю значения, а выходы соединены с первым и вторым входами упомянутого формирователя частот; выделитель тактовой частоты, вход которого подключен ко второму выходу упомянутого блока выбора максимального по модулю значения, а выход соединен с третьим входом упомянутого формирователя частот; первый выход каждого квадратурного канала соединен с первым входом соответствующего вычислителя максимального по модулю значения и с соответствующим информационным входом первого коммутатора; второй выход каждого квадратурного канала соединен со вторым входом соответствующего вычислителя максимального по модулю значения, с соответствующим информационным входом второго коммутатора и с соответствующим входом решающего блока; при этом упомянутый формирователь частот выполнен с возможностью формирования сетки из m частот, подстраиваемых по выходным сигналам с упомянутых коммутаторов, с эквидистантным разнесением по частоте, подстраиваемым по выходному сигналу с упомянутого выделителя тактовой частоты, причем первый - m-й выходы формирователя частот подключены к опорным входам, соответственно, первого - m-го квадратурных каналов.6. Демодулятор по п.5, отличающийся тем, что каждый квадратурный канал содержит первый и второй перемножители, выходы которых соединены со входами соответственно первого и второго фильтров нижних частот, выходы которых являются, соответственно, первым и вторым выходами квадратурного канала, первые входы первого и второго перемножителей объединены и являются информационным входом квадратурного канала, ко второму входу первого перемножителя подключен выход фазовращателя на 90°, вход которого объединен со вторым входом второго перемножителя и является опорным входом квадратурного канала.7. Демодулятор по п.5, отличающийся тем, что каждый вычислитель значения по модулю содержит первый и второй блоки возведения в квадрат, сумматор и блок извлечения квадратного корня, выход которого является выходом вычислителя, входы первого и второго блоков возведения в квадрат являются соответственно первым и вторым входами вычислителя, выходы обоих блоков возведения в квадрат соединены со входами сумматора, выход которого подключен ко входу блока извлечения квадратного корня.8. Демодулятор по п.5, отличающийся тем, что формирователь частот содержит первый и второй подстраиваемые генераторы, первый и второй петлевые фильтры, первый - (m-1)-й блоки частотного сдвига, фазовый детектор, частотный детектор и сумматор, первый вход которого является первым входом формирователя частот, а выход подключен через первый петлевой фильтр к управляющему входу первого подстраиваемого генератора, выход которого соединен с сигнальным входом первого блока частотного сдвига и является первым выходом формирователя частот, выход каждого j-го (j=1, ..., m-2) блока частотного сдвига соединен с сигнальным входом (j+1)-го блока частотного сдвига и является (j+i)-m выходом формирователя частот, выход (m-1)-го блока частотного сдвига является m-м выходом формирователя частот, вход частотного детектора является вторым входом формирователя частот, выход частотного детектора соединен со вторым входом сумматора, первый вход фазового детектора является третьим входом формирователя частот, выход фазового детектора подключен через второй петлевой фильтр к управляющему входу второго подстраиваемого генератора, выход которого соединен с управляющими входами первого - (m-1)-го блоков частотного сдвига и вторым входом фазового детектора.9. Демодулятор по п.8, отличающийся тем, что блок частотного сдвига выполнен в виде однополосного модулятора.10. Машиночитаемый носитель, предназначенный для непосредственного участия в работе компьютера и содержащий программу для осуществления способа по п.1.