УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕМОДУЛЯЦИИ ШУМОПОДОБНОГО СИГНАЛА Советский патент 2006 года по МПК H04B1/10 

Предлагаемое изобретение относится к технике радиосвязи и может быть использовано в широкополосных системах радиосвязи.

Известны устройства, в которых для компенсации изменения несущей частоты сигнала в приемник вводят систему автоматической подстройки частоты и фазы (АПЧ и ФАПЧ) (см. книгу "Шумоподобные сигналы в системах передачи информации" под редакцией В.В.Пестрякова, М.: Советское радио, 1973, стр.424).

Недостатком этих устройств является значительное время установления переходных процессов, что приводит к потере полезной информации. Этот недостаток в значительной степени сказывается в системах передачи коротких сообщений. Кроме того, в спутниковых системах связи, в которых существует большая паразитная частотная модуляция и допплеровский сдвиг частоты, практическая реализация систем АПЧ и ФАПЧ сложна и зачастую не обеспечивает высокой помехозащищенности приема информации.

При использовании наиболее помехоустойчивой фазовой модуляции в сочетании о взаимно-корреляционным приемом при хорошем пикфакторе излучаемого передатчиком сигнала можно полностью устранить влияние нестабильности несущей частоты сигнала.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для передачи дискретной информации при использовании однократной модуляции, описанное в авт. св. № 300946 от 7 апреля 1971 г.

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

1 - генератор колебаний несущей и тактовой частот (ГНТЧ),

2, 12 - формирователь ортогональной псевдослучайной последовательности (ФОПП),

3, 13 - генератор опорной псевдослучайной последовательности (ГОПП),

4 - устройство фазирования,

5, 6 - перемножитель,

7 - фазовращатель на 90°,

8 - фазовый манипулятор,

9 - сумматор,

10, 11 - перемножитель,

14 - устройство фазирования,

15 - устройство синхронизации,

16, 17 - полосовой фильтр,

18 - фазовый детектор.

В передающей части устройство-прототип имеет следующие функциональные связи. Тактовый выход генератора колебаний 1 через последовательно соединенные ФОПП 2, перемножитель 5 соединен с первым входом сумматора 9, а через последовательно соединенные ГОПП 3, перемножитель 6 соединен со вторым входом сумматора 9, выход которого является выходом передающей части; выход несущей частоты ГНТЧ 1 через фазовращатель на 90° 7 соединен со вторым входом перемножителя 5, а через фазовый манипулятор 8 выход несущей частоты ГНТЧ 1 соединен со вторым входом перемножителя 6, второй вход фазового манипулятора 8 является информационным входом; первый выход устройства фазирования 4 соединен со вторым входом ФОПП 2, второй выход устройства фазирования 4 соединен со вторым входом ГОПП 3.

В приемной части вход устройства через последовательно соединенные перемножитель 10, полосовой фильтр 16 соединен с первым входом фазового детектора 18, а через последовательно соединенные перемножитель 11, полосовой фильтр 17 соединен со вторым входом фазового детектора 18, выход которого является выходом устройства, кроме того, вход устройства через устройство синхронизади 15 соединен с первыми входами ФОПП 12 и ГОПП 13, вторые входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами устройства фазирования 14; выход ФОПП 12 соединен со вторым входом перемножителя 10, выход ГОПП 13 соединен со вторым входом перемножителя 11.

Устройство-прототип работает следующим образом.

В передатчике (см. фиг.1а) генератор ГНТЧ 1 формирует две частоты: тактовую частоту для ФОПП 2 и ГОПП 3 и несущую частоту сигнала. Тактовая частота с выхода ГНТЧ 1 поступает на вход ФОПП 2 и ГОПП 3, которые вырабатывают двоичные псевдослучайные последовательности. Эти последовательности представляют собой совокупности биполярных импульсов постоянного тока одинаковой величины и длительности, которая определяется величиной тактовой частоты.

Устройство фазирования 4 устанавливает сдвиговые регистры ФОПП 2 и ГОПП 3 в одинаковое начальное состояние, что обеспечивает связь по фазе их псевдослучайных последовательностей. Устройство фазирования 4 состоит из дешифраторов начальных состояний ФОПП 2 и ГОПП 3 и импульсной схемы фазирования, которая обеспечивает совмещение их начальных состояний по фазе.

Двоичная псевдослучайная последовательность с выхода ФОПП 2 поступает на перемножитель 5, на второй вход которого через фазовращатель на 90° 7 с выхода ГНТЧ 1 поступает колебание несущей частоты. В перемножителе 5 колебание несущей частоты умножается на двоичную псевдослучайную последовательность. В результате на выходе перемножителя 5 образуется сигнал, представляющий собой колебание несущей частоты с постоянной амплитудой, манипулированное по фазе на +90° по закону двоичной псевдослучайной последовательности.

Двоичная псевдослучайная последовательность с выхода ГОПП 3 поступает на перемножитель 6, на второй вход которого через фазовый манипулятор 8 поступает колебание несущей частоты с выхода ГНТЧ 1. На выходе перемножителя 6 образуется сигнал, представляющий собой колебание несущей частоты с постоянной амплитудой, манипулированное по фазе на 180° по закону двоичной псевдослучайной последовательности и двоичной информации.

Таким образом, в зависимости от знака передаваемой информации несущие частоты этих сигналов сдвинуты между собой по фазе на ±90°.

Передаваемая информация вкладывается в разность фаз между колебаниями несущей частоты этих сигналов. С выходов перемножителей 5, 6 сигналы поступают на сумматор 9, который образует выходной сигнал передатчика. Он представляет собой колебание несущей частоты с постоянной амплитудой, манипулированное по фазе на 0°, 90°, 180°, 270°. Причем моменты манипуляции и порядок следования этих величин фаз определяются соотношением знаков элементов двоичных псевдослучайных последовательностей ФОПП 2 и ГОПП 3 и передаваемой информацией.

Принимаемый сигнал поступает на перемножители 10, 11 приемника (см. фиг.1б), аналогичные перемножителям 5, 6 передатчика. В перемножителе 10 принимаемый сигнал умножается на двоичную псевдослучайную последовательность, которую вырабатывает ФОПП 12, аналогичный ФОПП 2 передатчика. Сигнал с выхода перемножителя 10 поступает на полосовой фильтр 16, который выделяет колебание несущей частоты сигнала. В перемножителе 11 принимаемый сигнал умножается на двоичную псевдослучайную последовательность, которую формирует ГОПП 13, аналогичный ГОПП 3 передатчика. Сигнал с выхода перемножителя 11 поступает на полосовой фильтр 17, который выделяет манипулированное по фазе колебание несущей частоты сигнала. Устройство фазирования 14, аналогичное устройству фазирования 4 передатчика, обеспечивает связь по фазе выходных последовательностей ФОПП 12 и ГОПП 13, соответствующую связи по фазе последовательностей ФОПП 2 и ГОПП 3 передатчика. Двоичные псевдослучайные последовательности, вырабатываемые генераторами в приемнике, синхронизируются с двоичными псевдослучайными последовательностями принимаемого сигнала с помощью устройства синхронизации 15. В качестве устройства синхронизации 15 могут быть использованы известные устройства синхронизации, обеспечивающие синхронизм местных сигналов приемника с основным лучом принимаемого многолучевого сигнала на основе анализа функции взаимной корреляции принимаемого и местных сигналов.

Колебания несущей частоты с выходов полосовых фильтров 16, 17 поступают на фазовый детектор 18, который измеряет информационную разность фаз между ними.

Недостатком устройства-прототипа является то, что помехоустойчивость приема информации определяется не скоростью ее передачи, а шириной полосы пропускания фильтров 16, 17, которую необходимо выбирать с учетом нестабильности несущей частоты сигналов. В спутниковых системах передачи специальных сигналов величина допплеровокого сдвига частоты может составлять десятки и даже сотни килогерц, в то время как скорость передачи информации невелика (100-1000 Бод). В этом случае в устройстве-прототипе необходимо выбирать ширину полосы пропускания фильтров 16, 17, на 1-3 порядка большую ширины полосы частот передаваемого сообщения, что приводит к значительным потерям в помехозащищенности приемника.

Целью предлагаемого изобретения является повышение помехозащищенности выделения информации в системах связи с синхронной передачей информации.

Такой режим связи характерен для систем управления и отличается тем, что скорость передачи информации выбирается равной частоте повторения одной из псевдослучайных последовательностей, а начало каждой информационной помехи совпадает с началом псевдослучайной последовательности. В этом случае после вхождения в синхронизм в приемнике автоматически выбираются тактовые импульсы двоичной информации путем дешифрации состояний генераторов псевдослучайных последовательностей.

Предлагаемое устройство усовершенствует приемник только в части выделения информации и не затрагивает устройства, связанные с синхронизацией и слежением за параметрами сигнала.

Поставленная цель достигается путем введения в устройство для демодуляции шумоподобного сигнала, состоящего из двух перемножителей, двух полосовых фильтров, дополнительных блоков: двух сумматоров, двух фазовращателей на 90°, одновибратора, генератора частоты смещения, ключа, двух пиковых детекторов, компаратора, триггера и двух блоков частотно-временного преобразования, в состав каждого из которых входят сумматор, смеситель, полосовой фильтр, линия задержки, регулируемый усилитель, формирователь напряжения автоматического регулирования усиления (АРУ).

Блок-схема предлагаемого устройства показана на фиг.2, где введены следующие обозначения:

1 - первый перемножитель,

2 - второй перемножитель,

3 - первый фазовращатель на

4 - второй фазовращатель на

5 - первый сумматор,

6 - второй сумматор,

7 - первый полосовой фильтр,

8 - второй полосовой фильтр,

9 - третий сумматор,

10 - первый формирователь напряжения АРУ,

11 - одновибратор,

12 - четвертый сумматор,

13 - второй формирователь напряжения АРУ,

14 - первый смеситель,

15 - ключ,

16 - второй смеситель,

17 - третий полосовой фильтр,

18 - первый регулируемый усилитель,

19 - генератор частоты смещения,

20 - второй смеситель,

21 - второй регулируемый усилитель,

22 - первая линия задержки,

23 - первый пиковый детектор,

24 - вторая линия задержки,

25 - второй пиковый детектор,

26 - компаратор,

27 - триггер.

Предлагаемое устройство имеет следующие функциональные связи.

Выход первого перемножителя 1 соединен со вторым входом второго сумматора 6 и через последовательно соединенные первый фазовращатель на 90° 3, первый сумматор 5, первый полосовой фильтр 7, третий сумматор 9, первый смеситель 14, третий полосовой фильтр 17, первую линию задержки 22, первый регулируемый усилитель 18, первый формирователь напряжения АРУ 10 соединен с выходом первого полосового фильтра 7; выход первого регулируемого усилителя 18 соединен со вторым входом третьего сумматора 9, первого формирователя напряжения АРУ 10 и через первый пиковый детектор 23 соединен с первым входом компаратора 26; вход второго перемножителя 2 соединен со входом первого перемножителя 1, на второй вход которого поступает первая псевдослучайная последовательность (ПСП1), на второй вход второго перемножителя 2 поступает ПСП2; выход второго перемножителя соединен со вторым входом первого сумматора 5 и через последовательно соединенные второй фазовращатель на 90° 4, второй сумматор 6, второй полосовой фильтр 8, четвертый сумматор 12, второй смеситель 16, четвертый полосовой фильтр 20, вторую линию задержки 24, второй регулируемый усилитель 21, второй формирователь напряжения АРУ 13 соединен с выходом второго полосового фильтра 8; выход второго регулируемого усилителя 21 соединен со вторым входом четвертого сумматора 12, второго формирователя напряжения АРУ 13 и через второй пиковый детектор 25 соединен со вторым входом компаратора 26, выход которого соединен с Д входом триггера 27, на тактовый вход которого поступают тактовые импульсы информации, являющиеся входными импульсами для одновибратора 11, выход которого через ключ 15 соединен со вторым входом первого смесителя 14 и второго смесителя 16; выход генератора частоты смещения 19 соединен со вторым входом ключа 15.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

На вход устройства демодуляции шумоподобного сигнала подается входной сигнал приемника, опорные псевдослучайные последовательности (ПСП1 и ПСП2), тактовые импульсы двоичной последовательности информации.

В перемножителях 1, 2 входной сигнал перемножается с опорными последовательностями, синхронными с принимаемым сигналом, так что на выходе одного из перемножителей выделяется несущее колебание, а на выходе другого - несущее колебание, манипулированное по фазе на ±90° двоичной последовательностью информации. Каждый из выходных сигналов перемножителей суммируется в сумматоре 5(6) с выходным сигналом другого перемножителя, сдвинутым по фазе на 90°, и фильтруется в полосовом фильтре 7(8), согласованном по полосе со скоростью передачи информации и величиной неизвестного смещения частоты сигнала. В результате на выходах полосовых фильтров 7, 8 образуются амплитудно-модулированные сигналы (фиг.3а, б) по закону двоичной последовательности информации. Причем в моменты наличия сигнала на выходе фильтра 7 на выходе фильтра 8 присутствуют только шумы и продукты взаимной корреляции последовательностей и наоборот. Выходные сигналы полосовых фильтров поступают на блоки частотно-временного преобразования, в которых осуществляется вычисление их спектральных характеристик на длительности каждого бита информации (фиг.3в, г). Входные сигналы этих блоков поступают на пиковые детекторы 23, 24, в которых запоминаются максимальные значения спектральных плотностей сигналов на длительности каждого бита информации (фиг.3е, ж). Эти значения сравниваются между собой в компараторе 26 (фиг.3з) и результат сравнения записывается в триггере 27 тактовыми импульсами информации и поступает на выход.

Рассмотрим подробнее прохождение сигнала через блок частотно-временного преобразования.

Сигнал с выхода полосового фильтра 7 через сумматор 9 поступает на смеситель 14. Смеситель 14 и генератор частоты смешения 19 представляют собой однополосный смеситель с двойным преобразованием частоты. Входной сигнал сначала смешивается с частотой f_г, где f_г - частота гетеродина.

Выделенная разностная частота вновь смешивается с частотой опорного сигнала f_оп, равного

f_оп=f_г+ΔF,

где ΔF - частота сдвига, равная полосе частот сигнала после фильтра 7.

Двойное преобразование частоты необходимо для когерентного накопления при малых отношениях ΔF к величине несущей частоты. На выходе полосового фильтра 17 выделяется сигнал частоты шумоподобного сигнала, выделенного фильтром 7, но сдвинутого на величину ΔF, который поступает на линию задержки 22, используемую в качестве основного элемента памяти. Параметры линии задержки выбираются из соотношения

где τ_лз - время задержки линии 22.

С выхода линии задержки 22 через регулируемый усилитель 18 сигнал поступает на сумматор 9, где складывается с сигналом с выхода полосового фильтра 7. Таким образом, сигнал получает приращение частоты ΔF и на выходе сумматора 9 образуется сумма двух сигналов. Через время τ_лз суммарный сигнал снова получает приращение ΔF и складывается со входным сигналом. Спектр сигнала на выходе частотно-временного преобразователя после N циркуляций расширяется в N раз (фиг.3в, г). Поэтому полоса пропускания полосовых фильтров 17, 20 и линии задержки 22, 24 выбирается из соотношения

Δf=N·ΔF,

где N - число циклов накопления.

Регулируемый усилитель 18 совместно с формирователем напряжения АРУ предназначен для исключения влияния нестабильности на процессы накопления.

На фиг.4 показана схема реализации формирователя напряжения АРУ (бл.10, 13).

На фиг.5 показана схема реализации одновибратора 11, который формирует импульс гашения управляющий ключом 15.

Остальные блоки, входящие в предлагаемое устройство, изучены и описаны в литературе.

Предлагаемое устройство позволяет повысить помехозащищенность выделения информации за счет реализации более эффективного алгоритма обработки сигналов.

Можно показать, что при наличии на входе приемника шумов с односторонней спектральной плотностью N₀ вероятность ошибочного выделения информации на выходе фазового детектора в устройстве-прототипе определяется выражением

где ΔF - эффективная ширина полосы пропускания фильтров 16, 17;

Т_c - длительность одного бита информации;

- отношение сигнал/шум, приходящееся на один бит информации.

Вероятность ошибки при выделении информации в предлагаемом устройстве определяется выражением

При одинаковой вероятности ошибки предлагаемому устройству требуется меньшая энергия сигнала, причем количественно выигрыш по энергетике определяется следующим образом:

На фиг.6 приведена зависимость энергетического выигрыша (выигрыша в помехозащищенности выделения информации) в зависимости от произведения ΔF·T_c при вероятности ошибки P_ош=10^-3.

Надо отметить, что качество восстановления сообщения в устройстве-прототипе может быть улучшено за счет применения на выходе фазового детектора фильтра нижних частот, согласованного с длительностью информационных посылок (интегратора со сбросом). Однако можно показать, что по помехозащищенности такая схема эквивалента схеме фильтр - детектор - фильтр и при увеличении произведения ΔF·T_c дает значительный проигрыш по сравнению с оптимальной обработкой.

По сравнению с известными устройствами, содержащими схемы фазовой автоподстройки частоты, предлагаемое устройство обладает рядом дополнительных преимуществ. К ним относятся отсутствие переходных процессов при восстановлении несущего колебания, отсутствие явлений типа срыва синхронизации и т.п.

Таким образом, заявляемые признаки: два сумматора, два фазовращателя на 90°, одновибратор, генератор смещения частоты, ключ, два пиковых детектора, компаратор, триггер, два блока частотно-временного преобразования, в состав каждого из которых входят сумматор, смеситель, полосовой фильтр, линия задержки, регулируемый усилитель, формирователь напряжения, АРУ, позволяют повысить помехозащищенность выделения информации в системах связи с синхронной передачей информации.

При дополнительном поиске, проведенном авторами в соответствии с п.5.2 ЭЗ-1-74, не обнаружены объекты со сходными признаками отличительной части. Учитывая это, авторы считают, что предлагаемое решение отвечает критерию "существенные отличия".

Изобретение относится к радиосвязи и может быть использовано в широкополосных системах радиосвязи. Техническим результатом изобретения является повышение помехозащищенности выделения информации в системах связи с синхронной передачей информации, что достигается путем введения в устройство для демодуляции шумоподобного сигнала, состоящего из двух перемножителей, двух полосовых фильтров, дополнительных блоков: двух сумматоров, двух фазовращателей на 90°, одновибратора, генератора частоты смещения, ключа, двух пиковых детекторов, компаратора, триггера и двух блоков частотно-временного преобразования, в состав каждого из которых входят сумматор, смеситель, полосовой фильтр, линия задержки, регулируемый усилитель, формирователь напряжения автоматического регулирования усиления. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для демодуляции шумоподобного сигнала, содержащее фазовый детектор и две цепи, каждая из которых состоит из перемножителя и полосового фильтра, при этом первые входы перемножителей каждой цепи объединены, а вторые входы являются входами соответствующих псевдослучайных последовательностей, отличающееся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости, введены одновибратор, ключ, генератор частоты смещения, а в каждую из цепей - последовательно соединенные фазовращатель на 90° и сумматор, последовательно подключенные блок частотно-временного преобразования сигнала и пиковый детектор, при этом выход перемножителя первой цепи соединен со входом фазовращателя той же цепи и вторым входом сумматора второй цепи, выход перемножителя второй цепи подключен ко входу фазовращателя той же цепи и второму входу сумматора первой цепи, выходы сумматоров обоих цепей соединены с первыми входами соответствующих блоков частотно-временного преобразования, вторые объединенные входы которых соединены с выходом ключа, первый вход которого соединен с выходом одновибратора, вход которого является входом сигнала синхронизации, первый и второй входы фазового детектора соединены с соответствующими выходами пиковых детекторов каждой цепи, третий вход фазового детектора соединен с входом обновибратора, а выход фазового детектора является выходом устройства.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок частотно-временного преобразования сигнала каждой цепи содержит сумматор, выход которого через последовательно соединенные смеситель, полосовой фильтр, линию задержки и регулируемый усилитель соединен со вторым входом упомянутого сумматора, а также формирователь напряжения автоматической регулировки усиления (АРУ), выход которого соединен с управляющим входом регулируемого усилителя, выход которого является выходом блока частотно-временного преобразования сигнала, вход сумматора соединен с первым входом формирователя напряжения АРУ и является входом блока частотно-временного преобразования сигнала, при этом второй вход формирователя напряжения АРУ соединен с выходом регулируемого усилителя.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фазовый детектор содержит последовательно соединенные компаратор и триггер.