Устройство восстановления несущей частоты фазоманипулированных сигналов

 

Использование: радиотехника. Сущность изобретения: устройство содержит фазовые детекторы 1, 2, фильтры низких частот 3, 4, компараторы 5, 6, 17, 18, перемножители 7, 9, вычитатели 8,16, фильтр 10, управляемый генератор 11, фазовращатель 12, сумматоры 13, 14, 15, аттенюаторы 19, 20, инвертор 21. 1 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в аппаратуре систем связи с фазовой манипуляцией.

Известно устройство восстановления несущей частоты, содержащее первый и второй фазовые детекторы, выходы которых через первый и второй компараторы соединены с первыми входами первого и второго перемножителей соответственно, выходы которых соединены с входами сумматора, выход которого соединен с первым входом третьего перемножителя, выход которого, через петлевой фильтр, соединен с входом управляемого генератора.

Недостатком известного устройства является невозможность восстановления несущей частоты восьмипозиционных фазоманипулированных (ФМ) сигналов ввиду отсутствия необходимых для этого технических средств.

Известно также устройство восстановления несущей частоты, содержащее последовательно соединенные умножитель частоты на 4, полосовой фильтр, фазовый детектор, петлевой фильтр и управляемый генератор, выход которого соединен с другим входом фазового детектора.

Это устройство имеет тот же недостаток.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство восстановления несущей частоты фазоманипулированных сигналов, содержащее первый и второй фазовые детекторы, первые входы которых объединены и соединены с входом устройства, а их выходы cоответcтвенно через первый и второй фильтры нижних частот соединены с входами соответственно первого и второго компараторов, а также первый перемножитель, первый вход которого соединен с выходом второго фильтра нижних частот, а его выход с первым входом первого вычитателя, второй вход которого соединен с выходом второго перемножителя, первый вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, причем выход первого вычитателя через фильтр соединен с входом управляемого генератора, выход которого соединен с вторым входом первого фазового детектора и через фазовращатель с вторым входом второго фазового детектора.

Недостатком устройства является невозможность восстановления несущей частоты восьмипозиционных фазоманипулированных сигналов ввиду отсутствия необходимых для этого технических средств.

Целью изобретения было расширение функциональных возможностей за счет обеспечения восстановления несущей частоты восьмипозиционных фазоманипулированных сигналов.

Для достижения поставленной цели предлагается устройство восстановления несущей частоты фазоманипулированных сигналов, содержащее первый и второй фазовые детекторы, первые входы которых объединены и соединены с входом устройства, а их выходы соответственно через первый и второй фильтры нижних частот соединены с входами соответственно первого и второго компараторов, а также первый перемножитель, первый вход которого соединен с выходом второго фильтра нижних частот, а его выход с первым входом первого вычитателя, второй вход которого соединен с выходом второго перемножителя, первый вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, причем выход первого вычитателя через фильтр соединен с входом управляемого генератора, выход которого соединен с вторым входом первого фазового детектора и через фазовращатель с вторым входом второго фазового детектора, в которое введены три сумматора, второй вычитатель, третий и четвертый компараторы, два аттенюатора и инвертор, при этом выход первого фильтра нижних частот соединен с первыми входами первого сумматора и второго вычитателя, вторые входы которых соединены с выходом второго фильтра нижних частот, а их выходы соответственно через третий и четвертый компараторы соединены с входами первого и второго аттенюаторов, управляющие входы которых объединены и соединены с управляющим входом устройства, выход первого аттенюатора соединен с первыми входами второго и третьего сумматоров, вторые входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго компараторов, а их выходы с вторыми входами соответственно первого и второго перемножителей, выход второго аттенюатора соединен третьим входом третьего сумматора и через инвертор с третьим входом второго сумматора.

На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство восстановления несущей частоты фазоманипулированных сигналов содержит первый и второй фазовые детекторы 1 и 2, первые входы которых объединены с входом устройства, а их выходы соответственно через первый и второй фильтры нижних частот 3 и 4 соединены с входами соответственно первого и второго компараторов 5 и 6, а также первый перемножитель 7, первый вход которого соединен с выходом второго фильтра нижних частот 4, а его выход соединен с первым входом первого вычитателя 8, второй вход которого соединен с выходом второго перемножителя 9, первый вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот 3, причем выход первого вычитателя 8 через фильтр 10 соединен с входом управляемого генератора 11, выход которого соединен с вторым входом первого фазового детектора 1 и через фазовращатель 12 с вторым входом второго фазового детектора 2.

Устройство содержит также три сумматора 13-15 второй вычитатель 16, третий и четвертый компараторы 17 и 18, два аттенюатора 19 и 20 и инвертор 21. Выход первого фильтра нижних частот 3 соединен с первыми входами первого сумматора 13 и второго вычитателя 16, вторые входы которых соединены с выходом второго фильтра нижних частот 4, а их выходы соответственно через третий и четвертый компараторы 17 и 18 соединены с входами первого и второго аттенюаторов 19 и 20, управляющие входы которых объединены и соединены с управляющим входом устройства, выход первого аттенюатора 19 соединен с первыми входами второго и третьего сумматоров 14 и 15, вторые входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго компараторов 5 и 6, а их выходы соединены с вторыми входами соответственно первого и второго перемножителей 7 и 9. Выход второго аттенюатора 20 соединен с третьим входом третьего сумматора 15 и через инвертор 21 с третьим входом второго сумматора 14.

Коэффициент передачи аттенюатора 19 и 20 определяется управляющим сигналом. При приеме восьмипозиционного ФМ сигнала коэффициент передачи аттенюаторов равен 2/2. При приеме четырехпозиционного ФМ сигнала на управляющем входе устройства формируется сигнал, обеспечивающий коэффициент передачи аттенюаторов 19 и 20 равный нулю.

Устройство работает следующим образом.

Восьмипозиционный ФМ сигнал на интервале длительности символа Тс может быть представлен в виде S_i(t) cost+ + , (1) где Е_о энергия символа сигнала, ω_o- несущая частота; i 0,1,7 номер передаваемого символа сообщения.

Выполняя ортогонализацию сигнала (1) по методу Грама-Шмидта и заменяя коэффициенты разложения сигнала в ортогональном базисе на линейную комбинацию целочисленных величин, получаем следующее выражение: S_i(t) kA+ (D-E)cos ω_ot+B+ (D+E)sin ω_ot (2) где К - нормировочный коэффициент, А,В,D,Е коэффициент разложения восьмипозиционного ФМ сигнала в ортонормированном базисе функций.

Следует отметить, что коэффициенты А, В, D, Е могут принимать значения +1 и -1 в зависимости от передаваемого символа сообщения. Поскольку четыре двоичные величины определяют 16 символов сигнала, необходимо ввести следующее ограничение A(D-E) + B (D+E) 2 (3) С учетом ограничения (3), выражение (2) представляет собой искомое разложение восьмипозиционного сигнала в ортонормированном базисе тригонометрических функций.

Сигнал S_i(t) поступает на первые входы фазовых детекторов 1 и 2, на другие входы которых поступают опорные сигналы соответственно: S_оп1(t) 2cos (ω_ot+ϕ) S_oп2(t) 2sin (ω_ot+ϕ) (4) где ϕ фазовое рассогласование между сигналом и опорным колебанием.

Сигналы на выходах фильтров нижних частот 3 и 4 определяются следующим образом
S_i= S_i(t)S_оп1(t)dt
S_Q= S_i(t)S_оп2(t)dt. (5)
Подставляя выражения (2) и (4) в выражения (5), получим
S_i k[A + (D-E)]cos ϕ- k [B + (D+E)]sin ϕ,
S_Q k [A + (D-E)] sin ϕ + k [B+ (D+E)]cos ϕ.(6)
Далее сигналы S_i и S_Q поступают на вход сумматора 13, на выходе которого формируется сигнал
S₊= S_i+S_Q= kD+ (A+B)cos ϕ- kE+ (B-A)sin ϕ. (7)
Сигналы S_i и S_Q поступают также на входы вычитателя 16, на выходе которого формируется сигнал
S_-= S_i-S_Q= kE+ (B-A)cos ϕ+ kD+ (A+B)sin ϕ. (8)
Компараторы 5, 6, 17, 18 производят оценку знака сигнала на своих входах. Если сигнал на входе компараторов положителен, то на выходе формируется сигнал равный +1, а если отрицательный, на выходе формируется сигнал равный -1.

Следовательно, алгоритм работы компараторов определяется следующим выражением:
U_вых= sign(U_вх) (9)
Поскольку символы сигнала равновероятны, без потери в общности можно ограничиться рассмотрением выражений (6), (7), (8) полагая ≅ что соответствует восьмикратной неопределенности фазы сигнала. С учетом этого, сигналы на выходах компараторов могут быть записаны в следующем виде:
S₅ sign (S_i) A
S₆ sign (S_Q) B
S₁₇ sign (S₊) D (10)
S₁₈ sign (S_-) E
Сигналы S₁₇, S₁₈ проходят через аттенюаторы 19 и 20 с коэффициентами передачи , после чего сигналы поступают на соответствующие входы сумматоров 14 и 15, на выходе которых формируются следующие сигналы:
S₁₄= S₅+ S₁₇- S₁₈= A+ (D-E)
S₁₅= S₆+ S₁₇+ S₁₈= B+ (D+E). (11) Сигнал S₁₄ поступает на вход перемножителя 7, на другой вход которого поступает сигнал S_Q, в результате чего на выходе перемножителя 7 формируется следующий сигнал:
A+ (D-E) (12)
Аналогично, на выходе перемножителя 9 получаем сигнал следующего вида:
A+ (D-E) (13)
Сигнал на выходе вычитателя 8, с учетом того, что А² В² D² E²= 1, имеет следующий вид:
S₈= S₇-S₉= k[4+ [A(D-E)+B(D+E)]sinϕ. (14)
С учетом ограничения (3), сигнал (14) может быть записан в следующем виде:
S₈= 2k(2+)sin ϕ. (15)
Из выражения (15) видно, что сигнал S₈ не содержит составляющих, связанных с манипуляцией фазы, и зависит только от фазового рассогласования между сигналом и опорным колебанием. Данный сигнал используется в виде управляющего в петле ФАПЧ, поступая через фильтр 10 петли ФАПЧ на вход управляемого генератора, что обеспечивает ϕ _→ 0. В этом случае на выходе управляемого генератора 11 формируется сигнал восстановленной несущей, когерентный входному восьмипозиционному ФМ сигналу.

При приеме четырехпозиционного ФМ сигнала коэффициент передачи аттенюаторов 19 и 20 устанавливается равным нулю, и дальнейшее функционирование устройства полностью аналогично алгоритму функционирования схемы Костаса.

Таким образом, в предлагаемом устройстве в сравнении с прототипом обеспечивается расширение функциональных возможностей за счет обеспечения восстановления несущей частоты восьмипозиционных ФМ сигналов.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ВОССТАНОВЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ ЧАСТОТЫ ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ, содержащее первый и второй фазовые детекторы, первые входы которых объединены и являются входом устройства, а их выходы через соответственно, первый и второй фильтры нижних частот, соединены со входами, соответственно, первого и второго компараторов, а также первый перемножитель, первый вход которого соединен с выходом второго фильтра нижних частот, а его выход соединен с первым входом первого вычитателя, второй вход которого соединен с выходом второго перемножителя, первый вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, причем выход первого вычитателя через фильтр соединен с входом управляемого генератора, выход которого соединен с вторым входом первого фазового детектора, и через фазовращатель с вторым входом второго фазового детектора, отличающееся тем, что введены три сумматора, второй вычитатель, третий и четвертый компараторы, два аттенюатора и инвертор, при этом выход первого фильтра нижних частот соединен с первыми входами первого сумматора и второго вычитателя, вторые входы которых соединены с выходом второго фильтра нижних частот, а их выходы через соответственно третий и четвертый компараторы соединены с входами первого и второго аттенюаторов, управляющие входы которых объединены и являются управляющим входом устройства, выход первого аттенюатора соединен с первыми входами второго и третьего сумматоров, вторые входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго компараторов, а их выходы соединены с вторыми входами соответственно первого и второго перемножителей, выход второго аттенюатора соединен с третьим входом третьего сумматора и через инвертор с третьим входом второго сумматора.

РИСУНКИ

Рисунок 1