Устройство для восстановления несущей частоты сигналов квадратурной амплитудной манипуляции

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при демодуляции сигналов квадратурной амплитудной манипуляции (КАМ). Достигаемым техническим результатом является повышение надежности обнаружения и устранения ложных захватов при рабочих отношениях сигнал/шум. Для этого выполненяются следующие операции над сигналом: осуществляют преобразование входного сигнала в первом блоке преобразования входного сигнала (БПВС) с последующей низкочастотной фильтрацией; сравнивают путем фазового детектирования восстановленную несущую частоту сигнала КАМ (сигнал на выходе первого ГУН) с контрольным колебанием (сигналом на выходе второго ГУН), при этом колебания сравнивают непосредственно и со сдвигом на 90°. 1 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при демодуляции сигналов квадратурной амплитудной манипуляции (КАМ).

Известен демодулятор сигналов шестнадцатипозиционной квадратурной амплитудной манипуляции, содержащий первый и второй фазовые детекторы, фильтр, генератор, первый и второй ограничители (см. патент РФ №2013018, МПК 5 H 04 L 27/22, опубл. БИ №9, 15.05.94 г.) [1].

Недостатком известного демодулятора является его низкая помехоустойчивость, связанная с наличием точки ложного захвата по фазе на его дискриминационной характеристике в окрестности точки ϕ≈23° (см. [1, фиг.2]). Работа демодулятора в состоянии ложного захвата по фазе (которое в известном устройстве не может быть обнаружено и устранено) приводит к полной потере информации на выходе демодулятора.

Известно также устройство восстановления несущей частоты сигналов шестнадцатипозиционной квадратурной амплитудной манипуляции, содержащее первый и второй фазовые детекторы, первый и второй фильтры нижних частот, фазовращатель и четыре сумматора (см. патент РФ №2019054, МПК 5 H 04 L 27/34, опубл. в БИ №16, 30.08.94 г.) [2].

Недостаток известного устройства также состоит в его низкой помехоустойчивости, связанной с возможностью полной потери информации из-за наличия ложного захвата по фазе при ϕ≈23° (см. [2, фиг.3]). Вообще, наличие ложных захватов по фазе является принципиальной особенностью устройств для восстановления несущей частоты сигналов с амплитудно-фазовой манипуляцией, что объясняется мультимодальностью, т.е. наличием нескольких максимумов, функции правдоподобия при оценке фазы восстановления, несущей такие сигналы (см., например, Пархоменко Н.Г., Боташев Б.М., Шеляпин Е.С. Исследование схем восстановления несущей частоты сигналов квадратурной амплитудной манипуляции // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ОВР. - М.: НИИЭИР. - 1991. - вып.17, с.65-76) [3].

Для устранения самой возможности ложных захватов эмпирическим путем синтезируют такие схемы восстановления несущей частоты, которые не имеют точек ложных захватов по фазе на дискриминационной характеристике.

Общим недостатком такого подхода является то, что поскольку такие устройства не соответствуют оптимальным, т.е. тем, структура которых вытекает из соответствующей теории оценок, то такие устройства имеют высокую дисперсию восстановленной несущей в окрестности рабочей точки ϕ=0°. Это приводит к низкой помехоустойчивости таких устройств.

Так известен демодулятор сигналов шестнадцатипозиционной квадратурной амплитудной манипуляции, содержащий два фазовых детектора, фазовращатель, шесть сумматоров и генератор, управляемый напряжением (ГУН) (см. патент РФ №2020767, МПК 5 H 04 L 27/22, опубл. в БИ №18, 30.09.94 г.) [4].

Недостаток известного устройства состоит в его низкой помехоустойчивости, связанной с высокой дисперсией управляющего напряжения на выходе ГУН при ϕ=0°. (несмотря на то, что известное устройство имеет дискриминационную характеристику по фазе, вообще не имеющую точек ложных захватов).

Оптимальным сочетанием высокой помехоустойчивости при ϕ=0° и минимумом потерь информации в случае возникновения ложных захватов является использование в оптимальных устройствах, обладающих, тем не менее, нежелательными точками ложных захватов, специальных узлов и блоков, обнаруживающих и устраняющих эти ложные захваты.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству (прототипом) является устройство для восстановления несущей частоты сигналов квадратурной амплитудной манипуляции, содержащее первый и второй блоки преобразования входного сигнала, первый, второй и третий фильтры нижних частот, сумматор, первый генератор, управляемый напряжением, фазовращатель, первый и второй пороговые блоки и генератор свип-сигнала, выход которого соединен со вторым входом сумматора, выход которого соединен со входом первого генератора, управляемого напряжением, выход которого является выходом устройства и соединен со вторым входом первого блока преобразования входного сигнала и входом фазовращателя, первый вход сумматора соединен с выходом первого фильтра нижних частот, вход которого соединен с выходом первого блока преобразования входного сигнала, вход которого является входом устройства и соединен с первым входом второго блока преобразования входного сигнала, выход которого соединен со входом второго фильтра нижних частот, выход третьего фильтра нижних частот соединен со входом первого порогового блока (см. А.С. №1830631, МКИ H 04 L 27/06, опубл. в БИ №28, 30.07.93 г. - прототип) [5].

Недостатком известного устройства является низкая надежность обнаружения и соответственно устранения ложных захватов.

Это связанно с тем, что по мере уменьшения входного отношения сигнал/шум, дискриминационная характеристика то есть, зависимость напряжения на выходе ФНЧ от фазовой расстройки ϕ, начинает отличаться от кусочно-ломаной прямой и становится более гладкой.

Принцип же обнаружения и устранения ложных захватов в устройстве-прототипе основан на сравнении нескольких дискриминационных характеристик, формирующихся в прототипе, каждая из которых должна иметь специфическую пилообразную форму (кусочно-ломаную прямую).

Таким образом, при относительно низких отношениях сигнал/шум на входе устройства, нарушается логика обнаружения ложных захватов, основанная на сравнении кусочно-ломаных дискриминационных характеристик.

Иначе, описанные в устройстве-прототипе узлы и связи обеспечивают надежное обнаружение ложных захватов только при предельно большом входном отношении сигнал/шум. Кроме того, при реальном же входном отношении сигнал/шум (порядка 25 дБ) естественный разброс в характеристиках узлов и блоков может привести к формированию в устройстве-прототипе трех различных (неидентичных) дискриминационных характеристик, что может также полностью нарушить логику работы всего устройства в части обнаружения ложного захвата.

Технический результат - повышение надежности обнаружения и устранения ложных захватов при рабочих отношениях сигнал/шум достигается выполнением следующих операций над сигналом:

- осуществляют преобразование входного сигнала в первом блоке преобразования входного сигнала (БПВС) с последующей низкочастотной фильтрацией;

- полученным после низкочастотной фильтрации напряжением управляют первым генератором, управляемым напряжением (ГУН) и на его выходе получают восстановленную несущую частоту сигнала КАМ;

- осуществляют преобразование входного сигнала во втором БПВС с последующей низкочастотной фильтрацией;

- полученным после низкочастотной фильтрации напряжением управляют вторым ГУН и на его выходе получают контрольное колебание;

- сравнивают путем фазового детектирования восстановленную несущую частоту сигнала КАМ (сигнал на выходе первого ГУН) с контрольным колебанием (сигналом на выходе второго ГУН), при этом колебания сравнивают непосредственно и со сдвигом на 90°;

- в случае несовпадения ни при одном из двух сравнений (которые производят путем фазового детектирования) результатов сравнения с нормативными значениями, делают вывод о произошедшем ложном захвате и запускают генератор свип-сигнала;

- суммируют свип-сигнал с сигналом управления первым ГУН и таким образом, выводят первый ГУН из состояния ложного захвата.

Это достигается тем, что устройство для восстановления несущей частоты сигналов квадратурной амплитудной манипуляции содержит первый и второй блоки преобразования входного сигнала, первый, второй и третий фильтры нижних частот, сумматор, первый генератор, управляемый напряжением, фазовращатель, первый и второй пороговые блоки и генератор свип-сигнала, выход которого соединен со вторым входом сумматора, выход которого соединен со входом первого генератора, управляемого напряжением, выход которого является выходом устройства и соединен со вторым входом первого блока преобразования входного сигнала и входом фазовращателя, первый вход сумматора соединен с выходом первого фильтра нижних частот, вход которого соединен с выходом первого блока преобразования входного сигнала, вход которого является входом устройства и соединен с первым входом второго блока преобразования входного сигнала, выход которого соединен со входом второго фильтра нижних частот, выход третьего фильтра нижних частот соединен со входом первого порогового блока.

Согласно изобретению в него введены первый и второй фазовые детекторы, четвертый фильтр нижних частот, элемент И и второй генератор, управляемый напряжением, вход которого соединен с выходом второго фильтра нижних частот, а выход - с первыми входами первого и второго фазовых детекторов, вторые входы которых соединены соответственно с входом и выходом фазовращателя.

Выходы первого и второго фазовых детекторов соединены соответственно со входами третьего и четвертого фильтров нижних частот, выход четвертого фильтра нижних частот соединен со входом второго порогового блока, вход генератора свип-сигнала соединен с выходом элемента И, входы которого соединены с выходами первого и второго пороговых блоков, выход второго генератора, управляемого напряжением, соединен со вторым входом второго блока преобразования входного сигнала.

Это позволяет выполнить новые операции над сигналом: сформировать на выходе второго ГУН контрольное колебание, сравнить его с колебанием на выходе первого ГУН и по результатам сравнения сделать вывод о произошедшем ложном захвате и устранить ложный захват. Это приводит к повышению помехоустойчивости заявляемого устройства.

На чертеже приведена функциональная схема заявляемого устройства.

Устройство для восстановления несущей частоты сигналов КАМ содержит первый и второй БПВС 1 и 2, первый, второй, третий и четвертый ФНЧ 3-6, сумматор 7, первый и второй ГУН 8 и 9, первый и второй фазовые детекторы (ФД) 10 и 11, первый и второй пороговые блоки (ПБ) 12 и 13, элемент И 14, генератор свип-сигнала 15, фазовращатель 16.

Вход генератора 15 свип-сигнала, выход которого соединен со вторым входом сумматора 7, выход которого соединен со входом первого генератора 8, управляемого напряжением, выход которого является выходом устройства и соединен со вторым входом первого блока 1 преобразования входного сигнала и входом фазовращателя 16.

Первый вход сумматора 7 соединен с выходом первого фильтра нижних частот 3, вход которого соединен с выходом первого блока 1 преобразования входного сигнала, вход которого является входом устройства и соединен с первым входом второго блока 2 преобразования входного сигнала, выход которого соединен со входом второго фильтра нижних частот 4, выход третьего фильтра нижних частот 5 соединен со входом первого порогового блока 12.

Вход второго генератора 9, управляемого напряжением соединен с выходом второго фильтра нижних 4 частот, а выход - с первыми входами первого и второго фазовых детекторов 10 и 11, вторые входы которых соединены соответственно с входом и выходом фазовращателя 16, выходы первого и второго фазовых детекторов 10 и 11 соединены соответственно со входами третьего и четвертого фильтров нижних частот 5 и 6, выход четвертого фильтра нижних частот 6 соединен со входом второго порогового блока 13, вход генератора 15 свип-сигнала соединен с выходом элемента И 14, входы которого соединены с выходами первого и второго пороговых блоков 12 и 13, выход второго генератора 9, управляемого напряжением, соединен со вторым входом второго блока 2 преобразования входного сигнала.

Первый БПВС 1 является субоптимальным устройством по отношению к сигналу КАМ и, как следствие, имеющим точки ложного захвата по фазе. БПВС 1 может быть реализован как схема Костаса.

Второй БПВС 2 выполнен по схеме, не приводящей к образованию точек ложного захвата по фазе. Для сигналов КАМ БПВС 2 может быть реализован как описано в работе [4] или в работе Hoffmann Michael H.W. Carrier recovery for M-QAM signal // European Conference of Radio - Relay Systems. - 1986, November 4-7, Munich. - p.247-253, ill.7 [6].

Возможна также реализация БПВС по так называемой активной схеме с умножением частоты (см., например, Окунев Ю.Б. Цифровая передача информации фазоманипулированными сигналами. - М.: Радио и связь. - 1991. - с.151. - рис.3.41 в)) [7].

Получаемое при этом колебание второго ГУН 9 обладает большой дисперсией, зато второй БПВС 2 не имеет точек ложного захвата по фазе, и колебание с выхода ГУН 9 может быть использовано как контрольное.

Фазовращатель 16 является фазовращателем на 90°.

Устройство работает следующим образом.

До тех пор, пока на второй вход сумматора 7 не поступает сигнал с генератора 15 свип-сигнала, первый БПВС 1, первый ФНЧ 3 и первый ГУН 8 образуют петлю фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) восстановленной несущей сигнала КАМ.

Аналогичную петлю ФАПЧ образуют и второй БПВС 2, второй ФНЧ 4 и второй ГУН 9. При этом отличие этой петли ФАПЧ от первой состоит с одной стороны, в более высокой дисперсии фазы, а с другой стороны - в отсутствии нежелательных точек ложных захватов.

Колебания с выходов ГУН 8 и ГУН 9 сравниваются первым и вторым ФД 10 и 11. В силу квадрантной симметрии ансамблей КАМ, колебание с выхода ГУН 9 сравнивается с непосредственным колебанием с выхода ГУН 8 и с этим же колебанием, повернутым на 90°. Таким образом, в какой бы истинной фазе не находилось колебание на выходе ГУН 8 по отношению к колебанию на выходе ГУН 9, если это один из четырех вариантов истинного захвата (0°, 90°, 180°, 270°), то на выходе одного из ФНЧ 6 или 5 будет формироваться напряжение нулевого уровня.

Каждый из пороговых блоков 12 и 13 формирует на своем выходе логическую 1 при уходе сигнала U_ПБ.ВХ на его входе за нормативные уровни, U_порог. т.е., в том случае, если |U_ПБ.ВХ|≥U_порог. (для определенности положим, что U_порог.=0,2).

Тогда в состоянии истинного захвата на выходе элемента И 14 всегда присутствует логический 0, и генератор 15 свип-сигнала не запускается.

В случае возникновения ложного захвата, на выходах третьего и четвертого ФНЧ 5 и 6 будут формироваться уровни, не соответствующие диапазону |U_ПБ.ВХ|≤U_порог.. Следовательно, оба ПБ 12 и 13 сформируют на своих выходах логические 1, которые через элемент И 14 запускают генератор 15 свип-сигнала.

Сигнал с выхода генератора 15 свип-сигнала через второй вход сумматора 7 выведет первый ГУН 8 из состояния ложного захвата.

Таким образом, заявляемое устройство в сравнении с прототипом обладает более высокой надежностью обнаружения и устранения ложных захватов.

Источники информации

1. Патент РФ №2013018, МПК 5 H 04 L 27/22, опубл. БИ №9, 15.05.94 г.

2. Патент РФ №2019054, МПК 5 H 04 L 27/34, опубл. в БИ №16, 30.08.94 г.

3. Пархоменко Н.Г., Боташев Б.М., Шеляпин Е.С. Исследование схем восстановления несущей частоты сигналов квадратурной амплитудной манипуляции // Вопросы радииоэлектроники. Сер. ОВР. - М.: НИИЭИР. - 1991. - вып.17, с.65-76.

4. Патент РФ №2020767, МПК 5 H 04 L 27/22, опубл. в БИ №18, 30.09.94 г.

5. А.С. №1830631, МКИ H 04 L 27/06, опубл. в БИ №28, 30.07.93 г. - прототип.

6. Hoffmann Michael H.W. Carrier recovery for M-QAM signal // European Conference of Radio - Relay Systems. - 1986, November 4-7, Munich. - p.247-253, ill.7.

7. Окунев Ю.Б. Цифровая передача информации фазоманипулированными сигналами. - М.: Радио и связь, - 1991, -с.151, - рис.3.41.

Формула изобретения

Устройство для восстановления несущей частоты сигналов квадратурной амплитудной манипуляции, содержащее первый и второй блоки преобразования входного сигнала, первый, второй и третий фильтры нижних частот, сумматор, первый генератор, управляемый напряжением, фазовращатель, первый и второй пороговые блоки и генератор свип-сигнала, выход которого соединен со вторым входом сумматора, выход которого соединен со входом первого генератора, управляемого напряжением, выход которого является выходом устройства и соединен со вторым входом первого блока преобразования входного сигнала и входом фазовращателя, первый вход сумматора соединен с выходом первого фильтра нижних частот, вход которого соединен с выходом первого блока преобразования входного сигнала, вход которого является входом устройства и соединен с первым входом второго блока преобразования входного сигнала, выход которого соединен со входом второго фильтра нижних частот, выход третьего фильтра нижних частот соединен со входом первого порогового блока, отличающееся тем, что в него введены первый и второй фазовые детекторы, четвертый фильтр нижних частот, элемент И и второй генератор, управляемый напряжением, вход которого соединен с выходом второго фильтра нижних частот, а выход - с первыми входами первого и второго фазовых детекторов, вторые входы которых соединены соответственно с входом и выходом фазовращателя, выходы первого и второго фазовых детекторов соединены соответственно со входами третьего и четвертого фильтров нижних частот, выход четвертого фильтра нижних частот соединен со входом второго порогового блока, вход генератора свип-сигнала соединен с выходом элемента И, входы которого соединены с выходами первого и второго пороговых блоков, выход второго генератоpa, управляемого напряжением, соединен со вторым входом второго блока преобразования входного сигнала.

РИСУНКИ

Рисунок 1