Устройство для приема амплитудно-фазоманипулированных сигналов Советский патент 1992 года по МПК H04L27/38 

Фиг.1

Изобретение относится к электросвязи и может быть использовано в качестве приемника системы передачи дискретной информации с амплитудно-фазовой манипуляцией по каналам связи с быстрыми замираниями.

Известно устройство для приема фазо- манипулированных сигналов с обратной связью от решающего устройства, которое можно использовать и в случае амплитудно- фазовой манипуляции, содержащее последовательно соединенные блок задержки, первый умножитель, фильтр фазовой автоподстройки частоты, генератор, управляемый напряжением (ГУН), второй умножитель, решающий блок и фазовращатель, выход и второй вход которого подключены, соответственно, к второму входу первого умножителя и к выходу ГУН, причем объединенные между собой вход блока задержки и второй вход второго умножителя являются входом устройства, выходом которого является выход решающего блока. Недостатком устройства является низкая помехоустойчивость при резких замираниях сигнала в канале связи.

Прототипом предлагаемого устройства является устройство для приема фазома- нипулированных сигналов с двумя квадра- турными каналами, которое можно использовать и в случае амплитудно-фазовой манипуляции, содержащее полосовой фильтр, вход которого является входом устройства, а выход полосового фильтра соединен со входом автоматического регулятора уровня, выход которого соединен с первыми входами первого и второго модуляторов, выход первого модулятора через первый фильтр нижних частот соединен с первыми входами блока синхронизации несущей частоты, блока тактовой синхронизации и решающего блока, выход второго модулятора через второй фильтр нижних частот соединен со вторыми входами блока синхронизации несущей частоты, блока тактовой синхронизации и решающего блока, выход которого является выходом устройства, а третий вход которого соединен с выходом блока тактовой синхронизации, третий вход которого соединен с выходом тактового генератора, а также генератор несущей частоты, выход которого соединен с третьим входом блока синхронизации несущей частоты, выходы которого соединены с вторыми входами соответствующих модуляторов.

Недостатком прототипа является низкая помехоустойчивость при резких замираниях сигнала в канале связи. Если при амплитудно-фазовой манипуляции решающий блок рассчитан на обеспечение минимума вероятности ошибки в установившемся режиме, то при вынесении решения решающий блок учитывает как фазу, так и

амплитуду сигнала на его входе. В момент резкого замирания сигнала в канале связи амплитуда сигнала на входе решающего блока отличается от амплитуды в установившемся режиме, что приводит в момент

0 замирания к вынесению большого числа ошибочных решений.

Целью изобретения является повышение помехоустойчивости устройства при резких замираниях сигнала.

5 Указанная цель достигается тем, что в устройство для приема амплитудно-фазома- нипулированных сигналов, содержащее полосовой фильтр, вход которого является входом устройства, а выход полосового

0 фильтра соединен с входом автоматического регулятора уровня, выход которого соединен с первыми входами первого и второго модуляторов, выход первого модулятора через первый фильтр нижних частот соединен

5 с первыми входами блока синхронизации несущей частоты, блока тактовой синхронизации и амплитудно-фазового решающего блока, выход второго модулятора через второй фильтр нижних частот соединен с вто0 рыми входами блока синхронизации несущей частоты, блока тактовой синхронизации и амплитудно-фазового решающего блока, третий вход которого соединен с выходом блока тактовой синхронизации, тре5 -тий вход которого соединен с выходом тактового генератора, а также генератор несущей частоты, выход которого соединен с третьим входом блока синхронизации несущей частоты, выходы которого соединены

О со вторыми входами соответствующих модуляторов, введены амплитудный детектор, пороговый блок, коммутатор и фазовый решающий блок, причем выход автоматического регулятора уровня через последова5 тельно соединенные амплитудный детектор и пороговый блок соединен с четвертыми входами блока синхронизации несущей частоты и блока тактовой синхронизации и с первым входом коммутатора, второй вход

0 которого соединен с выходом амплитудно- фазового решающего блока, выход первого фильтра нижних частот соединен с первым входом фазового решающего блока, второй и третий входы которого соединены, соот5 ветственно, с выходами блока тактовой синхронизации и второго ильтра нижних частот, выход фазового решающего блока соединен с третьим входом коммутатор, выход которого является выходом устройства.

Такое построение схемы устройства для приема амплитудно-фазоманипулирован- ных сигналов приводит к тому, что в течение времени, когда амплитуда сигнала на выходе автоматического регулятора уровня отличается от амплитуды в установившемся режиме, блок синхронизации несущей частоты и блок тактовой синхронизации переходят в режим работы, когда их подстройка не зависит от амплитуды сигналов на выходах фильтров нижних частот, а коммутатор пропускает на выход устройства сигнал решения с выхода фазового решающего блока. Фазовый решающий блок, в отличие от амплитудно-фазового, вырабатывает решение, основываясь лишь на фазе входного сигнала, не считаясь с его амплитудой. Поэтому в момент резкого замирания сигнала в канале связи фазовый решающий блок с большой вероятностью выносит правильные решения. Это приводит к значительному повышению помехоустойчивости устройства для приема амплитудно-фазома- нипулированных сигналов, по сравнению с прототипом, при резких замираниях сигнала в канале связи.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу; на фиг.З - пример созвездия передаваемых сигналов на фазовой плоскости и линии решения, соответствующие этому созвездию.

Устройство для приема эмплитудно-фа- зоманипулированных сигналов содержит (фиг.1) полосовой фильтр 1, автоматический регулятор 2 уровня, два модулятора 3 и 4, генератор 5 несущей частоты, два фильтра 6 и 7 нижних частот, блок 8 синхронизации несущей частоты, блок 9 тактовой синхронизации, тактовый генератор 10. амплитудно- фазовый 11 и фазовый 12 решающие блоки, коммутатор 13. амплитудный детектор 14 и пороговый блок 15.

Вход полосового фильтра 1 является входом устройства. Выход полосового фильтра 1 соединен со входом автоматического регулятора 2 уровня. Выход автоматического регулятора 2 уровня соединен с первыми входами модуляторов 3 и 4. а также со входом амплитудного детектора 14. Выходы модуляторов 3 и 4 соединены со входами соответствующих фильтров 6 и 7 нижних частот. Выходы первого 6 и второго 7 фильтров нижних частот соединены, соответственно, с первыми и вторыми входами блока 8 синхронизации несущей частоты, блока 9 тактовой синхронизации, а также амплитудно-фазового и фазового решающих блоков 11 и 12. Выход генератора 5 несущей частоты подключен к третьему входу блока 8 синхронизации несущей частоты. Выходы блока 8 синхронизации несущей частоты соединены с вторыми входами соответствующих модуляторов 3 и 4, Выход тактового генера- 5 тора 10 соединен с третьим входом блока 9 тактовой синхронизации. Выход блока 9 тактовой синхронизации соединен с третьими входами амплитудно-фазового и фазового решающих-блоков 11 и 12. Выход 10 амплитудного детектора 14 соединен со входом порогового блока 15. Выход порогового блока 15 подключен к. четвертым входам блока 8 синхронизации несущей частоты и блока 9 тактовой синхронизации, 15 а также к первому входу коммутатора 13. Выходы амплитудно-фазового 11 и фазового 12 решающих блоков соединены, соответственно, со вторым и с третьим входами коммутатора 13. Выход коммутатора 13 яв- 0 ляется выходом устройства.

Устройство для приема амплитудно-фа- зоманипулированных сигналов работает следующим образом.

Входной сигнал ограничивается по 5 спектру в полосовом фильтре 1 с целью от- фильтровки внеполосного шума. Автоматический регулятор 2 уровня поддерживает на своем выходе постоянный заданный уровень сигнала при наличии разброса коэффи- 0 циента усиления разных каналов связи и при медленных изменениях этого коэффициента. Автоматический регулятор 2 уровня - инерционное устройство Уровень сигнала на его выходе не должен изменять- 5 ся из-за случайных колебаний амплитуды амплитудно-фазомэнипулированного сигнала, вызванных случайным характером передаваемой дискретной информации, а также из-за случайных выбросов шума. Если 0 во входном сигнале устройства происходит резкое замирание (фиг.2а), то выходной сигнал автоматического регулятора 2 уровня соответствует изображенному на фиг.2б. Амплитудный детектор 14 вырабатывает на- 5 пряжение (фиг.2в), пропорциональное амплитуде сигнала на его входе. Пороговый блок 15 сравнивает напряжение на выходе амплитудного детектора 14 с двумя пороговыми уровнями (фиг.2в, пунктирные линии). 0 Когда напряжение на выходе амплитудного детектора 14 находится между этими двумя пороговыми уровнями, то сигнал на выходе порогового блока 15 (фиг.2г) - логическая единица, в противном случае - логический 5 нуль.

Требования к инерционности амплитудного детектора 14 могут быть существенно ослаблены, по сравнению с требованиями к инерционности автоматического регулятора 2 уровня, поскольку при тех же случайных

изменениях амплитуды сигнала требуется лишь поддерж еать напряжение а пределах, задаваемых порогами порогового блока 15. Поэтому при резком замирании сигнала в канале связи в течение основной части времени переходных процессов автоматического регулятора уровня 2 сигнал на выходе порогового блока 15 (фмг.2г)- логический ноль. Логическая единица на выходе порогового блока 15 формируется только, когда автоматический регулятор 2 уровня находится в установившемся режиме, а также в течение незначительного времени сразу после резких изменений уровня сигнала на выходе канала связи.

Генератор 5 несущей частоты вырабатывает синусоидальный сигнал несущей частоты. На первом и втором выходах блока 8 синхронизации несущей частоты формируются два синусоидальных колебания несущей частоты, подстроенных к частоте и фазе принимаемого сигнала, сдвинутых по фазе друг относительно друга на 90°: sin (а т) и cos (сси). соответственно, где со- круговая несущая частота. В модуляторах 3 и 4 входной амплигудно-фазоманипулированный сигнал A sin (а) г + р), где А - амплитуда; (р- в данном тактовом интервале, умножается на синусоидальные колебания sin (on) и cos (шт.). В результате на выходах первого 3 и второго А модуляторов о данном тактовом интервале (при отсутствии шума) образуются сигналы соответственно

А A sin (a)i + p) (o;t) - cosipА

- cos (2 to t + р}}

A sin (a) t + p)cos, (он) (р +

+ sin (2 on+ (p).

В фильтрах 6 и 7 нижних частот отфильтровываются вибрационные члены (с удвоенной частотой). Позi ому в конце данного тактового интерчала на выходах первого б и второго 7 фильтров нижних частот (при отсутствии шума) сигналы пропорциональны, соответственно: A cos (/ и A sin (p.

Блок 8 синхронизации несущей частоты производит подстройку своих выходных синусоидальных сигналов к частоте и фазе несущей частоты принимаемого сигнала под действием сигналов с выходов фильтров 6 и 7 нижних частот. Блок 9 тактовой синхронизации производит подстройку тактовых импульсов тактового генератора 10 к моментам концов тактовых интервалов принимаемого сигнала под действием сигналов с выходов фильтров б и 7 нижних частот. При

этом когда на четвертых входах блока 0 синхронизации несущей частоты и блока 9 тактовой синхронизации присутствует сигнал логической единицы, вычисление сигнала

ошибки несущей частоты, который используется для подстройки несущей частоты, а также вычисление тактовой ошибки, которая используется для подстройки тактовых импульсов, производится с учетом как фазы,

0 так и амплитуды сигналов на выходах фильтров 6 и 7 нижних частот. Если на четвертых входах блока 8 синхронизации несущей частоты и блока 9 тактовой синхронизации присутствует сигнал логического нуля, то

5 вычисление ошибки несущей частоты и тактовой ошибки происходит с учетом только фазы, независимо от амплитуды, Это приводит к тому, что в течение времени переходного процесса в автоматическом регуляторе

0 2-го уровня, когда уровень сигнала на его выходе не соответствует установившемуся значению, подстройка несущей частоты и тактовых импульсов происходит незаписи- мо от уровня сигнала и, следовательно, не

5 происходит срыв синхронизации несущей частоты или синхронизации тактовых импульсов, которые могли быть выззаны резким замиранием сигнала в канале связи. В конце тактового интервала, в момент

0 прихода на третьи входы амплитудно-фазового и фазового решающих блоков 11 и 12 тактового импульса, на первые и вторые входы решающих блоков 11 и 12 приходят сигналы, пропорциональные,если не учиты5 вать шум, величинам A cos (p и A sin p соответственно, где А - амплитуда; р - фаза амплитудно-фазоманипулированного сигнала в рассматриваемом тактовом интервале. Сигналы на первых и вторых входах

0 решающих блоков 11 и 12 в конце тактового интераала обозначим X и Y соответственно. Их можно представить точкой на фазовой плоскости (ось абсцисс - X, ординат - Y). При отсутствии помех пара (X, Y) точно со5 ответствует одной из передаваемых точек созвездия сигналов. Пример СОЗРВЗДИР передаваемых сигналов, изображенных на фазовой плоскости, соответствующий рекомендации МККТТ V.29 при скорости пе0 редачи данных по телефонному каналу 7,2 кбит/с, показан на фиг.За. Особенностью данного созвездия сигналов является то, что срепи передаваемых сигналов нет отличающихся только по амплитуде, а все

5 сигналы отличаются друг от друга по сдвигу фазы Если помехи в канале связи присутствуют, то реальные пары сигналов (X, Y) формируют вокруг идеальных сигнальных точек на фазовой плоскости сигнальные пятна, тем более размытые, чем больше дисперсия шума. В случае, когда автоматический регулятор 2-го уровня находится в установившемся режиме, центры сигнальных пятен принимаемых пар (X, Y) практи- чески совпадают с точками созвездия передаваемых сигналов. В этом случае минимальная вероятность ошибки достигается, когда принятая пара относится к той из сигнальных точек, к которой принятая точка (X, Y) ближе. Области решения при таком алгоритме, соответствующие восьми сигнальным точкам, изображенным на фиг.За, показаны на фиг.36. Линии решения - отрезки прямых линий, являющихся середин- ными перпендикулярами к отрезкам, соединяющим ближайшие сигнальные точки. Решение зависит как от фазы р, так и от амплитуды А. Поэтому решающий блок 11, о котором принимается решение в соответст- вии с рассматриваемым алгоритмом, является амплитудно-фазовым. Правило принятия решения для амплитудно-фазового решающего блока 11 следующее:

А

i arg max {a;X + biY + ci},

i

где 1 1, 2n (n -число различных передаваемых сигналов; на фиг.З n 8); аь bi, ci - постоянные коэффициенты. Это правило оз- начает, что следует вычислить n сумм aiX + +biY + ci, а затем выбрать такое i, для которого эта сумма оказывается (для данных X и Y) максимальной. Во время переходного процесса в автоматическом регуляторе 2- го уровня, вызванного резким изменением уровня сигнала на его входе, амплитуда принимаемой пары сигналов (X, Y) может сарь- ироваться в широких пределах, что приводит к принятию в амплитудно-фазо- вом решающем блоке 11 большого числа ошибочных решений. Это происходит из-за того, что амплитудно-фазовый решающий блок 11 для одних и тех же значений фазы пар сигналов (X, Y) может принимать разные решения, в зависимости от амплитуды. На- . пример, при уменьшении амплитуды вместо сигнала 1 воспринимаются сигналы 2 или 8 (фиг.36), а при увеличении амплитуды вместо сигнала 2 - сигналы 1 или 3, и т.п. При варьировании в широких пределах амплитуды принимаемой пары сигналов (X, Y) сигнальные пятна группируются не вокруг сигнальных точек, а вокруг прямых линий, проходящих через начало координат и сиг- нзльные точки. При таком расположении сигнальных пятен минимальная вероятность ошибки достигается в случае, когда линии решения проходят через начало координат (фиг.Зв). Такой алгоритм решения не

учитывает амплитуды А принятой пары (X. Y), а решение зависит лишь от фазы / Поэтому решающий блок 12, решение п котором принимается в соответст is и и с последующим алгоритмом, является фазовым. Правило принятия решения в фазовом решающем блоке 12 следующее:

arg max {aiX + biY},

I

причем отличием правила в решающем ке 12 от правила в амплитудно-фазовом решающем блоке 11 является равенство нулю всех о. Фазовый решающий блок 12 в случае установившегося режима автоматического регулятора уровня 2 сохраняет работоспособность, однако уступает го помехоустойчивости амплитудно-фазовому решающему блоку 11.

Коммутатор 13 пропускает на выход устройства сигнал решения с выхода амплитудно-фазового решающего блока 11, когда на его первом входе присутствует сигнал логической единицы, и с выхода фазового решающего блока 12 в случае логического нуля. Поэтому в установившемся режиме автоматического регулятора 2 уровня на выходе устройства присутствует сигнал решения, сформированный в амплитудно-фазовом решающем блоке 11, что означает минимум вероятности ошибки. В течение основного времени переходного процесса г. автоматическом регуляторе 2 уровня на выходе устройства присутствует сигнал решения, сформированный в фазовом решающем блоке 12, что соответствует минимуму вероятности ошибки в условиях меняющейся амплитуды сигнала. Время с момента резкого изменения уровня сигнала на входе устройства и до срабатывания порогового блока 15, в течение которого на выходе устройства формируется пакет ошибок-, определяется инерционностью амплитудного детектора 14 и мало по сравнению с длительностью переходного процесса в автоматическом регуляторе 2-го уровня. Если в установившемся режиме автоматического регулятора 2-го уровня под действием неблагоприятной информационной последовательности происходит ложное срабатывание порогового блока 15, то в течение небольшого времени на выходе устройства присутствует сигнал решения, сформированный в фазовом решающем блоке 12, что не приводит к сколько-нибудь заметному снижению помехоустойчивости устройства, поскольку фазовый решающий блок 12 сохраняет работоспособность и в установившемся режиме.

Формула изобретения Устройство для приема амплитудно-фа- зоманипулированных сигналов, содержащее полосовой фильтр, вход которого является входом устройства, а выход полосового фильтра соединен с входом автоматического регулятора уровня, выход которого соединен с первыми входами первого и второго модуляторов, выход первого модулятора через первый фильтр нижних частот соединен с первыми входами блока синхронизации несущей частоты, блока тактовой синхронизации и амплитудно-фазового решающего блока, выход второго модулятора через второй фильтр нижних частот соединен с вторыми входами блока синхронизации несущей частоты, блока тактовой синхронизации и амплитудно-фазового решающего блока, третий вход которого соединен с выходом блока тактовой синхронизации, третий вход которого соединен с выходом тактового генератора, а также генератор несущей частоты, выход которого соединен с третьим входом блока синхронизации несущей частоты, выходы которого соединены с вторыми входами соответствующих модуляторов, отличающееся тем. что, с целью повышения помехоустойчивости

при резких замираниях сигнала, введены амплитудный детектор, пороговый блок, коммутатор и фазовый решающий блок, причем выход автоматического регулятора уровня через последовательно соединенные

амплитудный детектор и пороговый блок соединен с четвертыми входами блока синхронизации несущей частоты и блока тактовой синхронизации и с первым входом коммутатора, второй вход которого соединен с выходом амплитудно-фазового решающего блока, выход первого фильтра нижних частот соединен с первым входом фазового решающего блока, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами блока

тактовой синхронизации и второго фильтра нижних частот, выход фазового решающего блока соединен с третьим входом коммутатора, выход которого является выходом устройства.

Устройство содержит полосовой фильтр 1, автоматический регулятор уровня 2, модуляторы 3. 4, генератор несущей частоты 5, фильтры нижних частот 6, 7, блок синхронизации несущей частоты 8. блок тактовой синхронизации 9. тактовый генератор 10, амплитудно-фазовый решающий блок 11, фазовый решающий блок 12. коммутатор 13, амплитудный детектор 14, пороговый блок 15. 3 ил.

. 2

а.

135°

о° (t

Фи г. Ъ