Устройство для передачи и приема сигналов с фазовой манипуляцией Советский патент 1992 года по МПК H04L27/22 

Изобретение относится к технике электросвязи, может быть использовано в системах передачи данных, и является усовершенствованием устройства по авт.св. № 1363519.

Известно устройство для приема сигналов с фазовой манипуляцией, содержащее входной фильтр, переключатель, фильтр манипуляции, блок выделения опорного колебания, фазовращатель, блок выделения знака, триггер, элемент И, мультивибратор, инвертор и два ключа.

Однако оно имеет недостаточную помехоустойчивость из-за скачков фазы опорных колебаний на передающей и приемной частях устройства.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для передачи и приема сигналов с фазовой

манипуляцией, содержащее на передающей стороне генератор опорного сигнала, последовательно соединенный с блоком измерения и корректировки скачка фазы, фазовым манипулятором и усилителем, на приемной стороне - последовательно соединенные входной фильтр, перемножитель, фильтр манипуляции, формирователь импульсов и усилитель, причем выход входного фильтра через последовательно соединенные блок выделения опорного колебания и блок измерения и корректировки скачка фазы соединен с вторым входом перемножителя.

Недостатком известного устройства является низкая помехоустойчивость вследствие неверного определения начальной фазы опорного колебания.

XI Сл)

ГО

00 О

го

Цель изобретения - повышение помехоустойчивости за счет правильного выбора начальной фазы опорного колебания.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для передачи и приема сигналов с фазовой манипуляцией, содержащее на передающей стороне генератор опорного сигнала, последовательно соединенный с блоком измерения и корректировки скачка фазы , фазовым манипулятором и усилителем , на приемной стороне - последовательно соединенные входной фильтр, перемножитель, фильтр манипуляции, формирователь импульсов и усилитель, причем выход входного фильтра через последовательно соединенные блок выделения опорного колебания и блок измерения и корректировки фазы соединен с вторым входом перемножителя, дополнительно введены на передающей стороне последовательно соединенные усилитель-ограничитель, делитель частоты, фоомирователь импульсов, мультивибратор и элемент И, а также источник сообщений, причем вход усилителя-ог- раничителя соединен с выходом генератора опорных сигналов, второй вход элемента И соединен с выходом формирователя импульсов, выход элемента И соединен с дополнительным входом блока измерения и корректировки скачка фазы, на приемной стороне введены последовательно соединенные накопитель-рециркулятор, мультивибратор, первый элемент И и второй элемент И, усилитель-ограничитель и инвер- тор, причем выход формирователя импульсов соединен с входом накопителя-рециркуля- тора, выход которого соединен с вторым входом первого элемента И, выход которого соединен с первым входом третьего элемен- та И, второй вход которого и вход инвертора соединены с выходом усилителя-ограничителя, вход которого соединен с дополнительным выходом блока измерения и корректировки скачка фазы, первый и вто- рой дополнительные входы которого соединены соответственно с выходами третьего элемента И и второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом инвертора.

Триггеры выполняют функцию элементов памяти с возможностью их установки в одиночное или нулевое исходное состояние, выполняются на основе известных схем.

Мультивибраторы предназначены для генерации импульсов, обеспечивающих установку блока формирования и хранения двоичного кода в требуемое состояние.

Усилители-ограничители предназначены для формирования сигналов заданной амплитуды и формы.

Формирователь импульсов предназначен для формирования импульсов, обеспечивающих устойчивое срабатывание элементов схемы.

Делитель частоты предназначен для формирования стробирующих импульсов определенной частоты.

Накопитель-рециркулятор предназначен для формирования напряжения управления блоком формирования и хранения двоичного кода после получения определенного количества импульсов.

На фиг. 1 представлена функциональная схема передающей стороны устройства, на фиг. 2 - схема приемной стороны устройства; на фиг. 3,- функциональная схема блока формирования и хранения двоичного кода.

Устройство для передачи и приема сигналов с фазовой манипуляцией содержит на передающей стороне генератор 1 опорных сигналов, блок 2 измерения и корректировки скачки фазы, фазовый манипулятор 3, усилитель 4, усилитель-ограничитель 5, делитель 6 частоты, формирователь 7 импульсов, элемент И 8, мультивибратор 9, источник 10 сообщений, на приемной стороне - входной фильтр 23, блок 24 выделения опорного колебания, перемножитель 25, фильтр 26 манипуляций, формирователь 27 импульсов, усилитель 28, блок 29 измерения и корректировки скачка фазы, накопитель-рециркулятор 30, мультивибратор 31, элементы И 32-35, инвертор 34, усилитель-ограничитель 36.

Генератор 1 опорных сигналов последовательно соединен с первым входом блока 2 измерения и корректировки скачка фазы, вторым входом фазового манипулятора 3 и усилителем 4, выход генератора 1 опорных сигналов последовательно соединен также с усилителем-ограничителем 5, делителем 6 частоты, формирователем 7 импульсов, мультивибратором 9, элементом И 8 и дополнительным входом блока 2 измерения и корректировки скачка фазы. Выход формирователя 7 импульсов соединен с вторым входом элемента И 8, на приемной стороне выход входного фильтра 23 соединен с перемножителем 25, фильтром 26 манипуляции, формирователем 27 импульсов и усилителем 28, причем выход входного фильтра 23 через последовательна соединенные блок 24 выделения опорного колебания, первый вход блока 29 измерения и корректировки скачка фазы соединен с вторым входом перемножителя 25. Выход формирователя 27 импульсов последовательно соединен также с накопителем-рециркуля- тором 30, мультивибратором 31, первыми входами первого элемента И 32 и второго элемента И 33, выход которого соединен с первым дополнительным входом блока 29 измерения и корректировки скачка фазы. Выход накопителя-рециркулятора 30 соединен с вторым входом первого элемента И 32, выход которого соединен с первым входом третьего элемента И 35, второй вход которого и вход инвертора 34 соединены с выходом усилителя-ограничителя 36, вход которого соединен с дополнительным выходом блока 29 измерения и корректировки скачка фазы, второй дополнительный вход которого соединен с выходом третьего элемента И 35. Второй вход второго элемента И 33 соединен с выходом инвертора 34.

Блок 2 измерения и корректировки скачков фазы содержит два блока 11 и 19 задержки, фазовые детекторы 13 и 15, два фазовращателя 12 и 14, формирователь 16 импульсов, анализатор 18 знаков, преоб- разователь 17 аналог-код, блок 20 формирования и хранения двоичного кода, дешифратор 21, управляемый фазовращатель 22.

Выход генератора 1 соединен с входами блока 11 задержки, фазовращателя 12 и первым входом первого фазового детектора 13. Выходы фазовращателей 12 и 14 подключены соответственно на первый и второй входы второго фазового детектора 15. Выход первого блока 11 задержки соединен с вторым входом первого фазового детектора 13 и входом второго фазовращателя 14. Выходы фазовых детекторов подключены соответственно на входы анализатора 18 знаков. Выход второго фазового детектора 15непосредственно подключен на первый вход преобразователя 17 аналог-код, а на второй вход - через формирователь 16 импульсов, выход которого через второй блок 19 задержки соединен с вторым входом блока 20 формирования и хранения двоичного кода, первые К входов которого соединены с выходами преобразователя 17 аналог-код. Выходы анализатора 18 знаков подключены на четвертый и пятый входы блока 20 формирования и хранения двоичного кода, пятый дополнительный вход которого соединен с выходом элемента И 8. Выходы блока 20 формирования и хранения двоич- ного кода через дешифратор 21 соединены с первыми входами управляемого фазовращателя 22, выход которого подключен на второй вход фазового манипулятора 3, выход первого блока 11 задержки соединен с

вторым входом управляемого фазовращателя 22.

Блок 29 измерения и корректировки скачков фазы содержит два блока 37 и 45 задержки, фазовые детекторы 39 и 41, два фазовращателя 38 и 40, формирователь 42 импульсов, анализатор 44 знаков, преобразователь 43 аналог-код, блок 46 формирования и хранения двоичного кода, дешифратор 48, управляемый фазовращатель 47.

Соединения внутри блока 29 измерения и корректировки скачков фазы аналогичны соединениям внутри описанного блока 2 измерения и корректировки скачка фазы за некоторым исключением. Первый вход блока соединен с выходом блока 24 выделения опорного колебания, второй дополнительный вход соединен с выходом второго элемента 33 И и подключен к пятому входу блока 46 формирования и хранения двоичного кода, а его шестой вход соединен с выходом третьего элемента И 35 и является вторым дополнительным входом блока 29 измерения и корректировки скачка фазы, дополнительный второй выход которого является выходом фазовращателя 38 и соединен с входом усилителя-ограничителя 36. Выход управляемого фазовращателя 47 соединен с вторым входом перемножителя 25.

На фиг. 3 представлена функциональная схема блока 46 формирования и хранения двоичного кода. Она содержит сумматор 49, элементы 50 И, элемент 51 задержки и m триггеров 52.

Первые К входов сумматора 49 соединены с выходами аналого-цифрового преобразователя 43, второй и третий входы сумматора 49 соединены с выходами анализатора 44 знака, m выходов сумматора 49 через элементы 50 И, D-входы триггеров 52 соединены с входами дешифратора 48, выход элемента 45 задержки через элемент 51 задержки соединен с вторыми входами элементов И 50. Выход второго элемента И 33 соединен с R-входами триггеров 52, а выход третьего элемента И 35 соединен с S-входа- ми триггеров 52.

Схема блока 20 формирования и хранения двоичного кода на передающей стороне аналогична схема блока 46 формирования и хранения двоичного кода на приемной стороне за исключением: S-входы триггеров соединены между собой и корпусом, а R-входы соединены с выходом элемента 8 И.

Устройство для передачи и приема сигналов с фазовой манипуляцией работает следующим образом.

Колебания от генератора 1 опорных сигналов поступают в блок 2 измерения и корректировки скачков фазы, который компенсирует скачки фазы генератора 1. Так как схемой не предусматривается управляющее воздействие на генератор 1, то блок 2 измерения и корректировки скачков фазы измеряет величину скачка фазы выходного напряжения генератора и с требуемой точностью корректировки, определяемую преобразователем 18 аналог-код, компенсирует этот скачок, регулируя управляемый фазовращатель 22. Двоичный код корректировки хранится неизменным до следующего скачка фазы генератора 1 в блоке 20 формирования и хранения двоичного кода. Таким образом, код корректировки каждого скачка фазы генератора 1 опорных сигналов состоит из двоичного значения величины самого скачка плюс сумма кодов всех предыдущих значений:

п

Е I п 1 ,2....

i 1

Такая схема коррекции имеет несколько недостатков. Она не учитывает начальное состояние блока 20 формирования и хранения двоичного кода, который с одинаковой вероятностью может находиться в одном из

СВОИХ УСТОЙЧИВЫХ СОСТОЯНИЙ. Суммируясь С

последующими кодами корректировки скачков фазы, исходный код приводит к тому, что на выходе блока 2 (29) измерения и корректировки скачков фазы будет постоянно присутствовать ошибка. Так как все элементы

блока 2 (29) измерения и корректировки скачков фазы имеют определенную погрешность, то наличие суммирующего элемента, в качестве которого выступает блок 20 (46) формирования и хранения двоичного кода, приведет к накоплению погрешности, которая в какой-то момент времени превысит допустимые пределы и на выходе блока 2 (29) измерения и корректировки скачков фа

зы появится ошибка.

Всех этих недостатков лишено предлагаемое устройство для передачи и приема сигналов о фазовой манипуляцией.

Сигнал с выхода генератора 1 опорных сигналов поступает в усилитель-ограничи- тель 5, который выдает сигналы положительной полярности, ограниченные по амплитуде. Далее в делителе 6 происходит формирование сигналов тактовой частоты. Такая схема позволяет использовать в качестве генератора 1 более высокостабильные генераторы. Полученные импульсы поступают в формирователь 7 импульсов, который формирует импульсы требуемой формы и амплитуды.

5 10 15

0

5

Q

5

п

5

л

5

Последовательность прямоугольных импульсов тактовой частоты поступает одновременно на первый вход элемента И 8 и на вход мультивибратора 9, работающего в ждущем режиме. Эти два элемента играют роль вентиля, пропускающего только первый импульс из последовательности импульсов. Ждущий мультивибратор 9 собран по двухтактной схеме и выполняет роль линии задержки на один такт СИ. Выход мультивибратора подключен на инверсный вход элемента И 8. Таким образом, первый импульс, пройдя через элемент и попав на входы триггеров, установит блок 20 формирования и хранения двоичного кода в нулевое исходное состояние. Этот же импульс, задержанный на один такт в мультивибраторе 9, поданный на инверсный вход элемента И 8, запретит прохождение второго импульса на вход блока 20. Второй импульс запретит прохождение третьего и т.д.

Так с помощью блоков 5-9 производится начальная установка блока 20 формирования и хранения двоичного кода.

Схема приемника предлагаемого устройства (фиг. 2) работает следующим образом.

Информация из канала связи поступает на входной фильтр 23, ограничивающий полосу частот принимаемого сигнала. Далее информационный сигнал поступает на входы блока 24 выделения опорного колебания и перемножителя 25.

Блок 24 выделения опорного колебания по информационному фазоманипулирован- ному сигналу восстанавливает опорное колебание. Выделенное опорное колебание со случайной начальной фазой поступает в блок 29 измерения и корректировки скачков фазы. Этот блок работает аналогично блоку 2 в передающей части устройства, т.е. компенсирует скачкообразные изменения фазы опорного колебания и задает начальную фазу опорного колебания в начале приема и после перерывов связи. С выхода блока 29 сформированное опорное колебание вида

Son (t ) Von Sin ( ubt + p0 ) ,

поступает на второй вход перемножителя 25.

С помощью перемножителя 25, фильтра 26 манипуляции и формирователя 27 импульсов входная фазоманипулированная информационная последовательность импульсов высокой частоты преобразуется в положительные импульсы, имеющие два уровня, соответствующие, с определенной вероятностью, исходной комбинации, сформированной источником информации. Эта последовательность усиливается в усилителе 28 и выдается получателю сообщений.

В процессе передачи по каналу связи сформированная приемной частью последовательность информационных фазомани- пулированных сигналов вида S(t) V(t) x xcos (u0t + ) , О, п, подвергается воздействию шумов и различного вида помех. Ограничимся воздействием на информационные сигналы перерывов связи, так как они составляют до 30% всех ошибок даваемых помехами и шума. Причем шум будем считать белым, гауссовым. В результате воздействия помех входная комбинация имеет вид

S(t) V(t) cos ( G)0t + V ) + n(t),

где V(O (p™ +Уп - текущее значение фазы;

- сдвиг фазы сигнала, обусловленный воздействием помех.

В этом случае возможно, что наличие составляющей Vi приведет к перевороту фазы на л, т.е. возникает эффект обратной работы.

Предлагаемая схема позволяет установить начальную фазы следующим образом.

Последовательность импульсов с выхода формирователя 27 импульсов поступает и на вход накопителя-рециркулятора 30, который выполняет роль накопителя импульсов. Он необходим для того, чтобы исключить определение фазы по одиночному импульсу, который может явиться импульсной помехой. В случае, если на вход накопителя-рециркулятора поступит N синфазных импульсов он даст дополнительный выигрыш в отношении сигнал/шум на величину

В (1 + т) (1 - m)N/2/(1 - т),

где т - коэффициент передачи цепи обратной связи рециркулятора.

После получения N-ro импульса выходное напряжение станет достаточным, чтобы запустить ждущий мультивибратор 31. Мультивибратор собран по многокаскадной схеме таким образом, что его постоянная времени равна МТц, где Ти - период следования импульсов. Выход мультивибратора подключен к инверсному входу первого элемента И 32. Следовательно, при устойчивой работе схемы на выходе элемента И 32 появляется только первый импульс с выхода накопителя 30, который поступит на первые входы второго 33 и третьего 35 элементов И. Второй импульс с выхода накопителя 30 не

пройдет на выход элемента И 32, так как первый импульс, задержанный в мультивибраторе, поступит на второй инверсный вход этого элемента. Допустим, на вход накопителя-рециркулятора 30 поступило N импульсов вида cos x(t), где x(t) - информационный параметр. Импульс с его выхода поступит на первый вход элемента И 32. Сформированный N-й импульс опорного колебания вида

sin a(t) с выхода блока 24 выделения опорного колебания через фазовращатель 38, осуществляющий поворот фазы на величину п 12, поступит на вход усилителя-ограничителя 36. В этом элементе опорный импульс

ограничивается по амплитуде, т.е. усилитель-ограничитель 36 выполняет роль порогового устройства. Сформированный таким образом импульс поступит на вторые входы второго 33 и третьего 35 элементов И. Причем на элемент И 33 импульс поступит через инвертор 34. Следовательно на входы элемента И 35 поданы единичные импульсы. Своим выходным напряжением, поданным на R-входы триггеров, элемент И 35 установит блок 46 формирования и хранения двоичного кода в исходное нулевое состояние. Если блок 24 выделения опорного колебания выдаст импульс вида cos a(t), что соответствует появлению эффекта обратной

работы, импульс с выхода фазовращателя 38, сформированный в усилителе-ограничителе 36, через элемент И 33, будучи поданным на S-входы триггеров 53, установит блок 46 формирования и хранения двоичного кода в такое состояние, которое, будучи сформированное как управляющее напряжение управляемого фазовращателя 47, позволит компенсировать сдвиг фазы опорного колебания относительно информационного сигнала на величины я /2.

Таким образом, введенные блоки позволяют на передающей стороне задавать начальную фазу генерированного напряжения, на приемной стороне определять начальную

фазу принимаемой информационной последовательности фазоманипулированных сигналов и в соответствии с положением фазы задавать начальную фазу опорного колебания.

В качестве критерия оценки предлагаемого устройстве выберем вероятность ошибки одного элемента. Из возможных каналов связи выберем канал, подверженный

воздействиям белого, гауссового шума, перерывам связи, по которому передается информация в виде фазоманипулированных импульсов высокой частоты. Следовательно, в общем виде выражение для определения вероятности ошибки в одном элементе

имеет вид

РОШ Р ( . РОШЩ РОШП ) 1 0)

где PouxpQ- вероятность ошибки из-за неверного определения начальной фазы;

РОШШ вероятность ошибки из-за наличия шума;

РОШП - вероятность ошибки из-за перерывов связи.

Не ставя задачу исследования зависимостей Рошдо Р°ШШ и р°шп между собой и с целью уменьшения объема вычислений условимся, что перечисленные вероятности не коррелированы. Тогда выражение (1) принимает вид

РОШ - Рлер РОШП + ( 1 Рпер ) X X ( РОШШ + Рошдо) ,

(2)

где Рпер - вероятность появления перерыва связи.

Так как в прототипе не определяется положение фазы сигнала в начальный момент времени, а также после перерывов связи, и передача ведется фазоманипулированными сигналами, то оба значения фазы равновероятны, следовательно, вероятность ошибки водном элементе из-за неверного определения положения начальной фазы принимаемого сигнала в прототипе равна ( 0,5.

В предлагаемом устройстве с помощью введенных дополнительных блоков происходит определение начальной фазы принимаемого сигнала и производится установка блока 46 формирования и хранения двоичного кода в соответствующее состояние. Таким образом, вероятность ошибки зависит только от шума и вероятности ошибки элементов схемы, так как надежность срабатывания современных дискретных элементов много больше вероятности ошибки в приеме сигнала из-за шума, то вероятность ошибки в приеме одного элемента из-за неверного определения положения начальной фазы принимаемого сигнала в предлагаемом устройстве будет равна

Pouifp 02 РОШШ.

Для расчета вероятности ошибки в одном элементе фазоманипулированного сигнала из-за наличия шума в канале связи воспользуемся известной формулой:

Рош 0,5 х| 1-0()l , (3)

уж

й пло т

где h

ральной плотности помеху

отношение сигнала к спектФ(х)

х

2

dx - интеграл

вероятности.

Запишем выражение для определения вероятности ошибки в известном (Р0шч) и в предлагаемом (Роша) устройствах:

Рош1 0,5 X Рпер + (1 Рпер) X (РОшш 0,5);

(4)

Рош2 0,5 X Рпер + (1 - Рпер) X 2 РОШш. (5)

Для нахождения вероятности возникновения перерывов связи воспользуемся величиной относительного времени снижения

уровня принимаемого сигнала на 17,0 дБ, которое введено в качестве параметра оценки состояния канала связи. Эта величина не должна превышать значения 0,8 .

Подставляя различные значения отношения энергии сигнала к спектральной плотности помех определим значения вероятностей ошибок из (4) и (5) для предельного качества канала связи Рпер 0,8 х . Результаты определений занесены в

табл. 1 и 2.

Из табл. 1 видно, что даже в условиях сильных помех h2 1 предложенная схема дает выигрыш в 3,6 раза. Для среднего состояния канала (h2 3) выигрыш составляет

35 раз. Для этого значения рассчитаем значения вероятностей ошибок Р0ш1 и Р0ш2 Для различных значений вероятностей появления перерывов связи. Как видно из табл. 2, выигрыш и для очень плохого канала связи

(Рпер 0,1) в помехоустойчивости для предлагаемого устройства составляет 8 раз.

Положительный эффект от использования изобретения состоит в том, что данное устройство позволяет в 35 раз повысить помехоустойчивость в приеме единичного элемента путем определения и установки начальной фазы фазоманипулированного колебания.

Формула изобретения

Устройство для передачи и приема сигналов с фазовой манипуляцией по авт.св. Мг 1363519, отличающееся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости, в него

введены на передающей стороне последовательно соединенные усилитель-ограничитель, делитель частоты, формирователь импульсов, мультивибратор и элемент И, а также источник сообщений, причем вход усилителя-ограничителя соединен с выходом генератора опорных сигналов, второй вход элемента I/I соединен с выходом формирователя импульсов, выход элемента И соединен с дополнительным входом блока измерения и корректировки скачка фазы, на приемной стороне введены последовательно соединенные накопитель-рециркулятор, мультивибратор, первый элемент И и второй элемент И, а также третий элемент И, усилитель-ограничитель и инвертор, причем выход формирователя импульсов соединен с входом накопителя-рециркулятора, выход

0

которого соединен с вторым входом первого элемента И, выход которого соединен с первым входом третьего элемента И, второй вход которого и вход инвертора соединены с выходом усилителя-ограничителя, вход которого соединен с дополнительным выходом блока измерения и корректировки скачка фазы, первый и второй дополнительные входы которого соединены соответственно с выходами третьего элемента И и второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом инвертора.

Таблица 1

Изобретение относится к технике электросвязи и может быть использовано в системах передачи данных. Цель изобретения - повышение помехоустойчивости - достигается путем введения на передающей стороне усилителя-ограничителя, делителя частоты, формирователя импульсов, мультивибратора, элемента, источника сообщений, дополнительного входа блока измерения и корректировки скачка фазы, на приемной стороне - накопителя-рециркулятора, мультивибратора, первого, второго и третьего элементов И, инвертора, усилителя-ограничителя, двух дополнительных входов и одного дополнительного выхода блока измерения и корректировки скачка фазы и соответствующих связей. Сущность изобретения состоит в повышении помехоустойчивости при формировании опорного колебания за счет устранения ошибок из-за неверно заданной начальной фазы опорного колебания. Изобретение является усовершенствованием устройства по авт.св.№ 1363519.3 ил.,2 табл. С/) С

гоа,

0,506

0,5068

0,50710,5071

РОМ,6,Э 10- 3,3 1,3-10-2 1,67 10 1,43 Ю-2 МЗ Ю 2 1,43 1,47 1,1(23 Ю 2

Рои, о - в

ГОЫЈ

13

26,5

30

35

35

35

Ik

35

0,5071

0,5071

0,5071

0,5071

35

35

Ik

35

Фиг

N HS6--

Ъ Ј

Й

4

Фиг. 2