Устройство восстановления несущей Российский патент 2023 года по МПК H04L27/227 

Изобретение относится к области приема радиосигналов с двоичной фазовой манипуляцией (BPSK) или квадратурной фазовой манипуляцией (QPSK) и может быть использовано в спутниковых, радиорелейных цифровых системах связи.

Для демодуляции сигналов с фазовой манипуляцией необходимо несущее колебание. Известны несколько способов восстановления несущей [1, стр. 151], [2, стр. 302] и [3, стр. 8].

Сигнал несущей может быть восстановлен непосредственно из принимаемого информационного сигнала. Для восстановления несущего колебания необходимо устранить модуляцию, восстановив тем самым его составляющую в спектре принятого сигнала. Сделать это можно путем возведения входного сигнала в m-ю степень, c последующей фильтрацией умноженного сигнала с помощью пассивного полосового фильтра и деления выделенного фильтром сигнала на m (схема А.А. Пистолькорса). При другом способе восстановления несущей также необходимо возвести входной сигнал в m-ю степень, после чего фильтрация умноженного сигнала осуществляется кольцом фазовой автоподстройки [1, стр. 151].

Для большинства видов модуляции (амплитудные, фазовые, амплитудно-фазовые) система восстановления несущей непосредственно из информационного сигнала может быть также построена по схеме, называемой петлей Костаса [2, стр. 302]. В устройстве, рассмотренном в [3], для восстановления сигнала несущей c умножением частоты используется демодулятор, работающий по схеме Костаса.

Недостатком описанных способов восстановления несущей являются фазовые ошибки слежения за фазой несущей. Как известно, фазовые ошибки слежения за фазой несущей при использовании петли Костаса и способа ФАПЧ с возведением входного сигнала в степень описываются одинаковыми стохастическими уравнениями [4, стр.103]. Поэтому, при прочих равных условиях, дисперсии фазовых ошибок слежения за фазой несущей, как этого способа ФАПЧ, так и способа ФАПЧ с возведением входного сигнала в степень будут одного уровня.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, описанное в [2, стр. 301], которое принято за прототип.

Функциональная схема устройства-прототипа приведена на фиг. 1, где введены следующие обозначения:

7 - перемножитель;

8 - петлевой фильтр;

9 - генератор, управляемый напряжением (ГУН);

10 - делитель частоты на два;

11 - квадратирующее устройство;

12 - полосовой фильтр.

Устройство-прототип содержит последовательно соединенные квадратирующее устройство 11, полосовой фильтр 12, перемножитель 7, петлевой фильтр 8, генератор, управляемый напряжением (ГУН) 9 и делитель частоты на два 10, выход которого является выходом устройства. При этом выход генератора 9 соединен с вторым входом перемножителя 7. Вход квадратирующего устройства 11 является входом устройства.

Устройство-прототип работает следующим образом.

На вход квадратирующего устройства 11 поступает сигнал с двоичной фазовой манипуляцией (BPSK). Если аргумент тригонометрической функции, описывающей фазомодулированный сигнал со скачками фазы 2π/m (m - число возможных значений фазы), увеличить в m раз, то фазовая модуляция снимается, фаза полученного сигнала не зависит от скачков информационной фазы и с точностью величины, кратной 2π/m, повторяет фазу исходного немодулированного сигнала.

Операцию умножения аргумента функции, описывающей сигнал, можно реализовать с помощью квадратора при приеме радиосигналов с двоичной фазовой манипуляцией (BPSK) или с помощью нелинейного элемента четвертой степени при приеме радиосигналов с квадратурной фазовой манипуляцией (QPSK). Как известно, при изменении значения информационного сигнала фаза радиосигнала BPSK изменяется на 180°. Операция возведения в квадрат снимает модуляцию и удваивает частоту сигнала.

Квадратирование, таким образом, приводит к фазокогерентной частотной компоненте на удвоенной частоте несущей 2f_c. Фильтруемая компонента на частоте 2f_c затем используется для управления петлей ФАПЧ, состоящей из перемножителя 7, петлевого фильтра 8 и генератора, управляемого напряжением, 9. Выходной сигнал генератора 9, делится на два делителем частоты 10, чтобы генерировать синхронную несущую для демодуляции сигнала.

Недостатком устройства-прототипа является наличие фазовой ошибки слежения за фазой несущей. Операция квадратирования ведет к обогащению шума, что увеличивает уровень шумовой мощности на входе ФАПЧ и ведет к увеличению дисперсии фазовой ошибки. Как показано в [5, стр. 638], при входном отношении сигнал/шум 10 дБ использование способа возведения в четвертую степень (что необходимо при приеме сигнала с QPSK) будет приводить к потерям в 2,9 дБ.

Фазовые ошибки слежения за фазой, несущей приводят к энергетическим потерям, которые показывают, насколько нужно увеличить отношение сигнал/шум на входе приемного устройства, чтобы получить потенциально возможную вероятность битовой ошибки [6, стр. 47].

Задача, на которую направлено предлагаемое техническое решение, состоит в уменьшении энергетических потерь путем снижения величины фазовой ошибки слежения за фазой несущей частоты.

Для решения поставленной задачи в устройство восстановления несущей, содержащее последовательно соединенные перемножитель, петлевой фильтр, генератор, управляемый напряжением и делитель частоты, выход которого является выходом устройства, при этом выход генератора, управляемого напряжением, соединен с вторым входом перемножителя, согласно изобретению, введены последовательно соединенные первый пороговый блок, дифференцирующая цепь, ключ, колебательный контур и второй пороговый блок, выход которого соединен с первым входом перемножителя, при этом второй вход ключа соединен с источником постоянного тока; вход первого порогового блока является входом устройства.

На фиг. 2 приведена функциональная схема заявляемого устройства восстановления несущей, где введены следующие обозначения:

1 - первый пороговый блок;

2 - дифференцирующая цепь;

3 - ключ;

4 - источник постоянного тока;

5 - колебательный контур;

6 - второй пороговый блок;

7 - перемножитель;

8 - петлевой фильтр;

9 - генератор, управляемый напряжением;

10 - делитель частоты.

Заявляемое устройство содержит последовательно соединенные первый пороговый блок 1, дифференцирующую цепь 2, ключ 3, колебательный контур 5, второй пороговый блок 6, перемножитель 7, петлевой фильтр 8, генератор, управляемый напряжением 9 и делитель частоты 10, выход которого является выходом устройства. При этом перемножитель 7, петлевой фильтр 8 и генератор 9 образуют петлю ФАПЧ. Вход перемножителя 7 является входом петли ФАПЧ, а выход генератора, управляемого напряжением 9 соединен с вторым входом перемножителя 7. Источник постоянного тока 4 соединен со вторым входом ключа 3. Вход первого порогового блока 1 является входом устройства.

Заявляемое устройство восстановления несущей работает следующим образом.

Модулированный BPSK-сигнал (фиг. 3а) на частоте F_c поступает на первый пороговый блок 1 с нулевым порогом, на выходе которого образуется последовательность однополярных прямоугольных импульсов (фиг. 3б). Передние фронты импульсов следуют с периодичностью Т = 1/F_c на протяжении передаваемого информационного символа, допустим «1». Если по окончании символа «1» будет следовать символ «0», то последовательность передних фронтов сместится на полпериода относительно предыдущей последовательности, представляющей символ «1».

Последовательность однополярных прямоугольных импульсов (фиг. 3б), поступает далее на вход дифференцирующей цепи 2, на выходе которой появляются положительные и отрицательные короткие импульсы (фиг. 3в). Моменты появления этих импульсов совпадают, соответственно, с передними и задними фронтами последовательности однополярных прямоугольных импульсов. Короткие положительные импульсы с выхода дифференцирующей цепи 2 поступают на управляющий вход ключа 3 и открывают его на время действия положительных импульсов. Отрицательные импульсы с выхода дифференцирующей цепи 2 оставляют ключ 3 в запертом состоянии. При открывании ключа 3 конденсатор колебательного контура 5 начинает заряжаться от источника постоянного тока 4 через ключ 3. Затем ключ 3 закрывается, а в колебательном контуре 5 начинается колебательный процесс на собственной частоте контура, настроенного на частоту 2∙F_c (фиг. 3г). При этом расходуется энергия, запасенная в конденсаторе за время, в течение которого ключ 3 был открыт. В случае приема сигнала BPSK резонансная частота колебательного контура 5 выбирается равной удвоенной частоте 2F_c несущей входного модулированного сигнала. Колебание с частотой 2F_c поступает на вход порогового блока 6 с порогом срабатывания U_пор = 0, где преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов (фиг. 3д). Эта последовательность поступает затем на вход перемножителя 7, являющегося входом петли ФАПЧ, генератор, управляемый напряжением 9 которой захватывается на частоте 2F_c. Выходной сигнал генератора, управляемого напряжением 9, делится на два делителем частоты 10, вырабатывая восстановленное несущее колебание (фиг. 3е).

Поскольку заряд конденсатора колебательного контура 5 от источника постоянного тока 4 происходит очень быстро, колебательный процесс в контуре 5 также возникает без задержки. Если перед началом пакета сигнала на выходе контура напряжение близко к нулю, то процесс установления фазы колебания на его выходе мгновенный [6, стр. 100].

Каждый короткий положительный импульс с выхода дифференцирующей цепи 2 возбуждает колебательный процесс в колебательном контуре 5, который является затухающим. Однако, следующие друг за другом короткие положительные импульсы, открывающие ключ 3, через который источник постоянного тока 4 подзаряжает конденсатор колебательного контура 5, поддерживают колебания в контуре, благодаря чему последовательность прямоугольных тактовых импульсов вырабатывается непрерывно.

В случае приема сигнала BPSK колебательный контур настроен на резонансную частоту 2f_c, а при приеме сигнала QPSK колебательный контур имеет резонансную частоту 4f_c.

Работа предлагаемого устройства при приеме сигнала QPSK иллюстрируется на фиг. 4. Модулированный QPSK сигнал, поступающий на вход устройства, показан на фиг. 4а. На фиг. 4б показана последовательность однополярных прямоугольных импульсов на выходе первого порогового блока 1. На выходе дифференцирующей цепи 2 вырабатываются положительные и отрицательные короткие импульсы (фиг. 4в). На фиг. 4г показан колебательный процесс на собственной частоте колебательного контура, настроенного на частоту 4∙F_c. Эти колебания поступают на вход порогового блока 6 с порогом срабатывания U_пор = 0, где преобразуются в последовательность прямоугольных импульсов (фиг. 4д). Эта последовательность поступает затем на вход перемножителя 7, являющегося входом петли ФАПЧ, генератор, управляемый напряжением 9 которой захватывается на частоте 4F_c. Выходной сигнал генератора, управляемого напряжением 9, делится на четыре делителем частоты 10, вырабатывая восстановленное несущее колебание (фиг. 4е).

Таким образом, в предлагаемом устройстве исключается операция возведения сигнала в квадрат или в четвертую степень, что приводит к уменьшению энергетических потерь путем снижения величины фазовой ошибки слежения за фазой несущей частоты.

Источники информации

1. Окунев Ю.Б. Цифровая передача информации фазомодулированными сигналами. М.: Радио и связь, 1991.

2. Прокис Дж. Цифровая связь. М.: Радио и связь, 2000.

3. Патент RU 2376718 С1. Демодулятор системы связи с двукратной фазовой модуляцией. Опубликовано 20.12.2009. Бюл. № 35.

4. В. Линдсей. Системы синхронизации в связи и управлении. М.: Сов. радио, 1978.

5. Бернард Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. М.: Издательский дом «Вильямс», 2003.

6. Банкет В.Л., Дорофеев В.М. Цифровые методы в спутниковой связи. М.: Радио и связь, 1988.

Изобретение относится к области приёма радиосигналов с двоичной фазовой манипуляцией (BPSK) или квадратурной фазовой манипуляцией (QPSK) и может быть использовано в спутниковых, радиорелейных цифровых системах связи. Техническим результатом изобретения является уменьшение энергетических потерь путем снижения величины фазовой ошибки слежения за фазой несущей. Устройство восстановления несущей дополнительно содержит последовательно соединенные первый пороговый блок (1), дифференцирующую цепь (2), ключ (3), колебательный контур (5) и второй пороговый блок (6). Выход второго порогового блока (6) соединен с первым входом перемножителя (7). Второй вход ключа (3) соединен с источником постоянного тока (4). Вход первого порогового блока (1) является входом устройства. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство восстановления несущей, содержащее последовательно соединённые перемножитель, петлевой фильтр, генератор, управляемый напряжением, и делитель частоты, выход которого является выходом устройства, при этом выход генератора, управляемого напряжением, соединён с вторым входом перемножителя, отличающееся тем, что введены последовательно соединённые первый пороговый блок, дифференцирующая цепь, ключ, колебательный контур и второй пороговый блок, выход которого соединён с первым входом перемножителя, при этом второй вход ключа соединён с источником постоянного тока; вход первого порогового блока является входом устройства.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что колебательный контур настроен на удвоенную частоту несущей в случае приёма радиосигналов с двоичной фазовой манипуляцией (BPSK), а в качестве делителя частоты использован делитель частоты на два.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что колебательный контур настроен на учетверённую частоту несущей в случае приёма радиосигналов с квадратурной фазовой манипуляцией (QPSK), а в качестве делителя частоты использован делитель частоты на четыре.