Синхронно-фазовый фильтр

 

Использование: радиотехника, аппаратура связи с фазовой манипуляцией. Сущность изобретения: о синхронно-фазовом фильтре достигается повышение помехоустойчивости и расширение частотного диапазона как благодаря обеспечению поиска сигнала и устойчивого слежения за ним. так и благодаря тому, что уменьшено влияние шумовой компоненты в паузах между сигналами . 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК,, Я,, 1798889 А1 (я) Н 03 Н 7/01

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 (54) CNHXPOHHO-cDA30BblA ONRbTP (57) Использование: радиотехника, аппаратура связи с фазовой манипуляцией. Сущность изобретения; в синхронно-фазовом фильтре достигается повышение помехоустойчивости и расширение частотного диапазона как благодаря обеспечению поиска сигнала и устойчивого слежения. за ним, твк и благодаря тому, что уменьшено влияние шумовой компойенты в паузах между сигналами. 2 ил.

1 (21) 4905069/09 (22) 24,01,91 (46) 28.02.93; Бюл. N. 8 (71) Ростовский научно-исследовательский институт радиосвязи (72) Б.М.Боташев, Н. Г,Пархоменко. и Е.С. Шеляпин (56) Авторское свидетельство СССР

М 4394626, кл. Н 03 Н 7/01, 1983.

Изобретение относится к области ради- соответственно и вычитатель 25, блок выотехники и может быть использовано в боркизайоминаййя26. четвертыйкомпарааппаратуресистемсвязисфазовойманипу- . тор 27, фильтр нижних частот 28, а также ляцией (ФМ). второй и третий компараторы 29 и 30, а

Целью изобретения является повыше- такжеумножительчастоты31. ниепомехоустойчивостиирасширениечас- . Устройство работает следующим обратотного диапазона. - .: .. зом.

На фиг.1 представлена структурная .: Пусть на вход умножителя частоты 31: электрическая схема синхронно-фазового. поступает пакетный фазоманипулированфильтра; на фиг.2 — временные диаграммы, . нйй сигнал Звх.на несущей частоте аъ, котоиллюстрируюгцие работу устройства. :-. рая может в некоторых пределах изменяться

Синхронно-фазовый фильтр содержит . от пакета к пакету(так; например в системе первый и второй квадратурнйе каналы 1 и2, связи INTELSAT-Ч ТОМА разброс частотй каждый из которых содержйт первйй пере- сигнала от пакета к йакету может составлять множитель 3, фильтр 4 и второй перемножи- до 6 кГц). Г1оэтому сигнал на входе устройтель 5,.управляемый генератор 6, сумматор . ства целесообраэнопредставлятьнаинтер7, первый и второй квадраторы 8 и 9; допол - вале длительности пакета в виде нительный сумматор 10, пиковый детектор

11, первый компаратор 12, генератор 13 так-. Ssx = A соз (аЪ г + 2 л f/M) +M(г), (1) товых импульсов; первый, второй и третйй элементы И 14, 15 и 16, элемент ИЛИ 17, где М вЂ” число позиций фазовой манипуляреверсивный счетчик 18, цифроаналоговый ции; преобразователь 19, датчик частотной рас- . I — целое число из множества (1,2,...,М), стройки 20, включающий компараторы 21 и определяющее передаваемый символ сооб22 первой и второй цепей соответственно, и щения; .О-триггеры 23 и 24 первой и второй цепи А1- амплитуда сигнала;

1798889

N(t) — аддитивный белый Гауссов шум, с . односторонней спектральной плотностью.

Умножитель частоты 31 производит не линейное преобразование входного ФМ сигнала, в результате чего на его выходе выделяется М-я гармоника входного сигнала, имеющая вид

5 я = А2 Саэ (М а о t+ 2 т1) + N1(t), (2) где А2 — амплитудный множитель;

- N1(t) — аддйтивный шум на выходе умножителя 31 частоты; Из формулы (2) видно. что сигнал на выходе умножителя 31 частоты не имеет манийуляции фазы, а представляет собой синусоидальное колебание (на интервале длительности пакета) с добавкой в виде шумовой компоненты. При этом мощность шума Nt(t) на выходе умножителя частоты 31 превышает мощность шума N(t) на входе умно>кителя частоты 31 o M раз. Это следу2 ет из того факта, что каждое удвоение частоты сигнала увеличивает .мощность шумовой составля1ощей на 6дБ (или в 4 раза). Следовательно, в случае удвоения частоты, мощность шума возрастает в 4 раза, при учетверении — в 16 раз, а при умножении частоты в М раз мощность шума увеличится в М раз. Далее сигнал (2) поступэет на объединенные входы первых перемножителей 2. На другие их входы поступают сигйэлы с выхода управляемого генератора 6, При этом на вход первого перемножителя

3 первого квадратурного канала поступает сигнал вида

5г = 2 cos в1 t, (3) а на вход первего перемножителя 2 второго квадрэтурвого канала сигнал вида

Бг 2 sinи t, (4) где о1 — частота собственных колебаний управляемого генератора.

После умножения сигнала (2) на сигналы (3) и (4) в соответствующих перемножителях и itðåíåáðåãàë составляющими с суммарной частотой, получим нэ выходах первых перемножителей 2 первого и второго квадратур. ных каналов соответственно ,:Sc = SM 5г = A2 COS (МЭ> о - ® 1) t + .-1-2% {t) соз cut t, . (5)

gSQ = ЯрЯг — -А2 sin (M,гг> о - o> 1 ) t +

+2К1(t) si t В1 t, (6)

Дальнейшую работу устройства рассмотрим последовательно для трех различных ycnosuiA, 1. Априорная неопределенность несущей частоты сигнала очень мэлэ, то есть:

Зо=А2cos (Маъ.-со1) t+

+2bl2(t) созв1 t;

25 ss = — А2 sin (M а - и1) t+

+ 2 N2(t) sitt О1 < (7} (8) . Сигналы с выходов фильтров 4 поступа1от на соответствующие входы вторых пере30 множителей 5,. на другие входы которых поступа1от сигналы (3) и (4). При этом на выходах вторых перемножителей 5 первого и smporo квадратурных каналов получим

35 соответственно:

5с$г - A2 COS (M Во - 2 В1) t +

+ А2 соз М во т+ 4N2(t) соз и t (9)

Ss Яг А2 cos (М гОо - 2 rz>t) t +

+ А2 соз M шо т+ 4 N2(t) з1п а t. (1 О) 40

После суммирования сигналов (9} и (10) в сумматоре 7 получим

45 Sz 2 А2 соз М o)p t+ 4 N2(t) . (11) Из выражения (11) видно, что мощность шума на выходе сумматора 7 существенно уменьшается по сравнению с мощностью шума на выходе умножителя частоты 29. Величина полученного улучшения отношения сигнал-шум численно равна отношению ширины спектра исходного ФМ сигнала к полосе пропускания фильтров 4.

2, Начальная расстройка несущей частоты сигнала немного меньше полосы пропускания частоты среза фильтров 4, то есть. Д р(< о>о, Работу устройства в такой ситуации удобно проиллюстрировать с помощью

Лв = М и>о - в1 + О и значительно меньше по величине, чем полоса пропускания аь фильтров 4, При этом первые слагаемые выражений (5) и (6) имеют частоту меньше полосы пропускания фильтров 4, и, следовательно, беспрепятственно проходят через них. Вторые слагаемые представляют собой перенесенную в область нулевых частот компоненту

10 шума. Ширина спектра шума равна скорости передачи информаций, тогда как полоса пропускания фильтров 4 имеет в 100-1000 раз меньшую величину. Следовательно, шумовая компонента на выходах фильтров 4 в

15 100-1000 раз меньше; чем мощность шума на их входах.. Обозначив шумовую компоненту, отнесенную к .час.готе M ао.(как и в выражениях (5) и (6)),через N2(t) получим сигналы на выходах фильтров 4 и первого и

20 второго квадратурных каналов соответственно:

1798889 временных диаграмм, приведенных на фиг,2.

Сигналы, определяемые выражениями (5) и (6), поступают на входы соответствующих фильтров 4. При этом, поскольку частота биений Ла = М в, - в! сравнима с частотой среза фильтров, сигналы на их выходах приобретают некоторую задержку, которая на выходе устройства преобразуется в фазовый сдвиг восстановленной несущей, что является нежелательным, Кроме того, при этом снижается уровень полезного сигнала (из-за близости к граничной частоте фильтра) и возрастает уровень шума (вследствие возникающей асимметрии спектра). Сигналы на выходах фильтров 4 первого и второго квадратурных каналов показаны на фиг.2, кривые а и б соответственно. На временных диаграммах изображены сигналы от двух пакетов, при этом для первого пакета Лэ > О, а для второго Лсо<

< О. Как видно из выражений (7), (8), а также фиг,2 изменение знака Лв не оказывает влияния на фазовый сдвиг сигнала на выходе фильтра 4 первого квадратурного канала, тогда как на выходе фильтра 4 второго квадратурного канала сигнал изменяет свою фа.зу на 180 .

Эти сигналы поступают на входы компараторов 21 и 22, где преобразуются в импульсные последовательности типа

"меандр", На фиг.1 в, r и д изображены временные диаграммы сигналов, соответственно, на прямом. выходе компаратора 22 на его инверсном выходе и на выходе компаратора 21. Сигнал с выхода компаратора 21 поступает на информационные входы Dтриггеров 23 и 24 (фиг,2д), а на их тактовые входы поступают импульсные последовательности с соответствующих выходов компаратора 22, D-триггер осуществляет запись состояния на информационном входе при положительном перепаде (изменении состояния от низкого уровня к высокому); на его тактовом входе, Сигналы на выходах 0триггеров 23 и 24 представлены на фиг.2е и ж, соответственно, Видно, что при Лв > О, на выходе D-триггера 23 формируется высокий логический уровень, а на выходе 0триггера 24 — низкий. При Ли < О высокий уровень формируется на выходе 0-триггера

24, а низкий — на выходе 0-триггера 23.

После вычитания полученных сигналов в вычитателе 25 сигнал на его выходе имеет вид фиг.2з. Видно, что сигнал на выходе вычитателя 25 содержит информацию о знаке частотного рассогласования устройства.

В то же время сигналы (7) и (8) поступают на входы соответствующих квадраторов 8 и 9, Пренебрегая для простоты шумом, на выхода квадраторов 8 и 9 имеем

S <=A cos Лгут, (12)

S =А э!и Ьа)с (13) После выполнения суммирования в дополнительном сумматоре 10 получим

10 (14) де которого начинает уменьшаться, Это приводит к уменьшению напряжения на выИз формулы (14) видно, что сигнал на выходе дополнительного сумматора 10 имеет смысл мощности полезной составляю15 щей, Из-за наличия шума в выражении (14) появится флуктуационная компонента. ECT8cTDGllHo, что в паузах между пакетами сигнал на выходе дополнительного сумматора

10 соответствует мощности шумовой со20 ставляющей. Данный сигнал показан на фиг.2и, Сигнал с выхода дополнительного сумматора 10 поступает на третий компауатор 27, имеющий порог срабатывания А /2 (показан на фиг,2» — пунктирной линией), В

25 результате, получим нормированный по

ypoal ю сигнал огибающей пакетов (фиг.2).

Данный сигнал поступает на управляющий вход блока выборки — запоминания 26, При этом, при наличии пакета, производится вы30 борка, то есть сигнал со входа блока 26 беспрепятственно проходит на его выход, а в случае отсутствия пакета блок 26 переводится в режим хранения (фиг,2).

Такое решение позволяет исключить

35 воздействие шумовой компоненты B паузах между пакетами, что особенно важно при слабой информационной загрузке (когда количество пакетов невелико).

Сигнал с выхода блока выборки-запо40 минания 26 поступает на вход фильтра 28, который осуществляет усреднения полученного напряжения, а с его выхода — на прямой вход второго компаратора 29 и на инверсный вход третьего компаратора 30.

45 Пороги срабатывания компараторов 29 и ЗО показаны на фиг,Зл пунктирными линиями, при этом линия на уровне+ Л соответствует второму компаратору 29, а линия на уровне — Лтретьему ксмпаратору 30.

50 Из фиг,2л видно, что при Ло > 0 сигнал на входе второго компаратора 29 превышает установленный порог, формируя на его выходе сигнал высокого логического уровня. Данный сигнал, поступая на вход треть55 его элемента И 16. раз решает и рохожде ния импульсов с генератора 13 на вычитающий вход реверсивного счетчика 18, код на выхо1798889

15 ходе цифроаналогового преобразователя

19, которое поступает на управляющий вход управляемого генератора 10, изменяя его частоту до тех пор, пока не будет скомпенсирована частотная расстройка устройства.

При Ьа < 0 на выходе третьего компаратора 30 формируется высокий логический уровень, в результате чего импульсы с выхода генератора 33 через второй элемент И 15 и элемент ИЛИ 17 поступают на суммирующий вход реверсивного счетчика 19, В результате, напряжение на выходе блока

19 увеличивается до тех пор, пока.не компенсируется частотная расстройка устройства, После компенсации частотной расстройки устройство обеспечивает эффективную работу, обеспечивая высокое отношение сигнал-шум восстановленной несущей, как показано в п.1.

3. Начальная расстройка несущей частоты сигнала превышает полосу пропускания фильтров 4, то есть I AN) > Nn.

В этом случае сигнальные компоненты в выражениях (5) и (6) оказыва1отся существенно подавленными на выходах фильтров

4. Следовательно, напря>кение на выходе дополнительного сумматора 10, характеризующее мощность сигнала, также будет существенно ни>ке, чем s случаях, описанных в пп.1, 2. Данный сигнал поступает на вход пикового детектора 11., обеспечивающего нечувствительность устройства к интервалам между пакетами и к быстрым флуктуациям мощности сигнала, Напряжение с ,выхода пикового детектора 11 поступает на вход четвертого компаратора 27, в котором уста н о вл ен и о рог немного меньше., чем мощность сигнала при малой частотной расстройке (п.п,1,2). Но поскольку в данном случае мощность сигнала существенно снижена, то сигнал с выхода пикового детектора 11 не превышает установленного порогового уровня и на выходе первого компаратора 12 формируется сигнал высокого логического уровня, который поступает на вход первого элемента И 14 и разрешает прохождение импульсов с генератора 13 через элемент первый И 14 и элемент ИЛИ 17 на суммирующий вход реверсивного счетчика 18.

В результате воздействия на частоту управляемого генератора 10 обеспечивается поиск во всем диапазоне неопределенности, Отметим, что зона поиска в данном случае ограничена только диапазоном перестройки управляемого генератора 10 и мо>кет быть выбрана весьма большой.

40 э 45

После того, как в результате поиска, величина частотной расстройки Ло>станет меньше полосы пропускания фильтров 4, мощность сигнала на выходе дополнительного сумматора 10 существенно увеличится, что приведет к срабатыванию первого компаратора 12, на выходе которого появится сигнал низкого уровня, который запретит прохождение импульсов с генератора 13 через первый элемент И 14.

Так как при этом величина частотной расстройки станет меньше полосы пропускания фильтров 4, устройство обеспечит дальнейшее функционирование в соответствии с алгоритмом, изложенным в п.2 и п.1, Формула изобретения

Синхронно-фазовый фильтр, содержащий два квадратурных канала, каждый из которых выполнен в виде последовательно соединенных первого перемножителя, фильтра и второго перемножителя, а также сумматор, входы которого подключены к выходам квадратурных каналов, датчик частотной расстройки, входы которого подключены к выходам фильтров ка>кдого квадратурного канала, фильтр нижних частот, подключенный к выходудатчика частотной расстройки, и управляемый генератор, выход и квадратурный выход которого подключены к другим входам перемножителей одного и другого квадратурных каналов соответственно, отличающийся тем, что,"с целью повышения помехоустойчивости и расширения частотного диапазона, в него введены первый и второй квадраторы, входы которь>х подключены к выходам фильтров каждого квадратурного канала, последовательно соединенные дополнительный сумматор, входы которого подключены к выходам первого и второго квадраторов, пиковый детектор и первый компаратор, последовательно соединенные реверсивный счетчик и цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к входу управляемого генератора, последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, первый элемент И и элемент ИЛИ„выход которого подключен к одному входу реверсивного счетчика, второй элемент И, выход которого подключен к другому входу элемента ИЛИ, третий элемент И, выход которого подключен к другому входу реверсивного счетчика, второй компаратор, включенный между выходом фильтра нижних частот и одним из входов третьего элемента И, третий компаратор, инверсный вход которого подключен к выходу фильтра нижних частот, а выход — к одному из входов второго элемента И. блок

3798889 выборки-запоминания и четвертый компаратор, включенный между выходом дополнительного сумматора и управляющим входом блока выборки-запоминания, при этом фильтр нижних частот подключен к sblходу датчика частотной расстройки через блок выборки-запоминания, а датчик час тотной расстройки выполнен в виде двух цепей, каждая из которых выполнена в виде последовательно соединенных компаратора и D-триггеров, причем тактовый вкод 0триггера первой цепи подключен к выходу компаратора второй цели. тактовый вход 0триггера второй цели подключен к инвврс5 ному выходу компаратора первой цели, и вычитателя, входы которого подключены к . выходам О-триггеров, цепей, при атом выхо- „ ды компараторов цепей являются входами датчиками частотной расстройки, а выход

30 вычитателя — его выходом..:

1798889

Корректор П, Гереаи

Заказ 778 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г; Ужгород. ул,Гагарина, 101

Составитель Л. Закс

Редактор Т. Коляда, Техред M.Ìîðãåíòàë

Пакет n/2 ьС0<0