Цифровое устройство для демодуляции дискретных сигналов в многолучевом канале связи

Изобретение относится к радиотехнике. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости приема и обеспечение применимости устройства к приему многопозиционных сигналов. Сущность изобретения заключается в том, что в известное цифровое устройство демодуляции дискретных сигналов в многолучевом канале связи, содержащее блок преобразования входного сигнала, решающую схему, регистр сдвига и блок демодуляции, состоящий из N последовательно соединенных блоков детектирования и N-входового сумматора дополнительно введены (М-1) блоков демодуляции и М-входовый сумматор, а в каждом из N блоков детектирования каждого из М блоков демодуляции дополнительно введены измеритель мощности и формирователь весового коэффициента. 1 ил.

 

Изобретение относится к области передачи дискретной информации и предназначено для применения в KB радиоканале и других каналах связи, подверженных воздействию межсимвольной интерференции.

Известны устройства, использующие в процессе приема информации по многолучевому каналу принцип обратной связи по решению. Наиболее близким устройством, которое можно считать прототипом, является "адаптивный корректор межсимвольных искажений" по а.с. 879786 СССР, кл. Н 04 В 3/04 [1]. Этот корректор содержит решающий блок и регистр сдвига, каждый из N отводов которого через один из N корреляторов соединен с первым входом соответствующего из N перемножителей, выход первого из которых через первый блок вычитания соединен с объединенными вторыми входами корреляторов, выход первого из которых соединен с первым входом фазового детектора, а также второй блок вычитания и сумматор, причем с целью повышения точности коррекции введены N-1 дополнительных блоков вычитания, N элементов задержки, N-1 дополнительных фазовых детекторов, N-1 весовых перемножителей и формирователь весовых коэффициентов.

Однако это устройство не обладает достаточной помехоустойчивостью, так как оно рассчитано на скорость дискретизации сигнала, равную одному отсчету на посылку, что ведет к недостаточному использованию энергии сигнала. Кроме того, алгоритм вычисления весовых коэффициентов учитывает влияние на достоверность приема только амплитудно-фазовых соотношений между отсчетами импульсной реакции канала и не учитывает влияние аддитивных помех.

Примененный в устройстве алгоритм вычисления весовых коэффициентов рассчитан только на прием однократных сигналов фазовой телеграфии (двухпозиционных сигналов) и не пригоден для приема сигналов большей кратности: 4-позиционных, 8-позиционных и т.д. В данном устройстве для формирования оценок сигналов интерференционных составляющих и для выполнения операции "снятия манипуляции" применены простые перемножители, что также пригодно только для приема двухпозиционных сигналов фазовой телеграфии и не пригодно для приема сигналов большей кратности.

Задача изобретения - повышение помехоустойчивости приема и обеспечение применимости устройства к приему многопозиционных сигналов.

Решение задачи достигается тем, что в цифровое устройство для демодуляции дискретных сигналов в многолучевом канале связи, содержащее блок преобразования входного сигнала, решающую схему, регистр сдвига и блок демодуляции, который состоит из N последовательно соединенных блоков детектирования и N-входового сумматора, причем каждый блок детектирования содержит элемент задержки сигнала, когерентный детектор, весовой перемножитель, вычитатель и накопитель, причем вход блока детектирования соединен со входом элемента задержки сигнала и первым входом когерентного детектора, выход которого через весовой перемножитель соединен с соответствующим входом N-входового сумматора, а второй вход когерентного детектора соединен с выходом накопителя, при этом выход элемента задержки соединен с первым входом вычитателя, выход которого является выходом блока детектирования, причем вход каждого i-го блока детектирования соединен с выходом (i-1)-го блока детектирования, а вход первого блока детектирования соединен с соответствующим выходом блока преобразования входного сигнала, вход которого является входом устройства, причем выход N-входового сумматора является выходом блока демодуляции, с целью увеличения помехоустойчивости приема и обеспечения применимости к приему многопозиционных сигналов введены (М-1) дополнительных блоков демодуляции, и М-входовой сумматор, входы которого соединены с выходами соответствующих блоков демодуляции, а выход которого соединен со входом решающей схемы, выход которой является выходом устройства и соединен со входом регистра сдвига, при этом в каждый блок детектирования каждого из блоков демодуляции введены модулятор, элемент вычисления мощности, формирователь весового коэффициента и схема снятия манипуляции, причем модулятор первым входом соединен с выходом накопителя, вторым входом соединен с выходом решающей схемы, а выходом соединен со вторым входом вычитателя, элемент вычисления мощности своим входом и выходом соединен с выходом вычитателя и входом формирователя весового коэффициента, соответственно, а выход формирователя весового коэффициента соединен со вторым входом весового перемножителя, первый вход схемы снятия манипуляции соединен с соответствующим выходом регистра сдвига, причем вторые входы всех схем снятия манипуляции каждого из блоков демодуляции присоединены к выходу вычитателя последнего блока детектирования того же блока демодуляции.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства, которое предназначено для демодуляции сигналов фазовой телеграфии. Устройство работает в цифровой форме. На входе устройства стоит блок преобразования входного сигнала, традиционный для устройств цифровой обработки сигнала. Функции этого блока заключаются в дискретизации во времени, квантовании по уровню, преобразовании на нулевую частоту и расщеплении на квадратурные составляющие входного радиосигнала. В результате этих преобразований на выходе этого блока формируется последовательность цифровых отсчетов (выборок) квадратурных составляющих сигнала, представляющих в совокупности комплексную огибающую этого сигнала. Частота дискретизации входного сигнала выбирается из расчета - М комплексных выборок на принимаемый символ длительностью Т. На чертеже для простоты изображен частный случай для М=2, т.е. в данном случае сигнал дискретизируется со скоростью 2 выборки на символ с интервалом Т/2 между ними. Минимально возможное значение М равно 1 - одна выборка на символ, как в устройстве-прототипе. С ростом величины М улучшается качество приема, но при этом растут требования к ресурсам вычислительного устройства.

Соединения между элементами схемы, показанные жирными линиями, предназначены для передачи двух квадратурных цифровых отсчетов, представляющих в совокупности комплексную огибающую соответствующего сигнала (ReZ+jImZ). В соответствии с этим те элементы схемы, на которые поступает такой комплексный сигнал, представляют собой блоки обработки комплексного сигнала. Соединения, показанные тонкими линиями, предназначены для передачи цифровых отсчетов вещественных сигналов и для передачи символов.

Устройство, представленное на чертеже, состоит из блока преобразования входного сигнала 1, двух идентичных блоков демодуляции 2, сумматора 14, решающей схемы 15 и регистра сдвига 17, состоящего из (N-1) элементов 16. В общем случае число блоков демодуляции равно М. Каждый блок демодуляции 2 содержит N идентичных блоков детектирования 12 и N-входовый сумматор 13. Каждый блок детектирования содержит когерентный детектор 3, весовой перемножитель 4, элемент задержки 5, модулятор 6, вычитатель 7, элемент вычисления мощности 8, формирователь весового коэффициента 9, схему снятия манипуляции 10 и накопитель 11.

Величина N выбирается равной максимальной ожидаемой протяженности импульсной реакции канала, выраженной в количестве тактовых интервалов Т. При этом N-й (последний по порядку) блок детектирования предназначен для детектирования первой по времени прихода интерференционной составляющей входного сигнала, (М-1)-й блок - для детектирования второй интерференционной составляющей и т.д. Таким образом, первый блок предназначен для детектирования N-й интерференционной составляющей, самой последней по времени прихода.

Когерентный детектор 3 представляет собой блок, выполняющий операцию умножения комплексной величины Z, представляющей собой входной сигнал, на комплексно сопряженную величину Н опорного сигнала, по алгоритму:

(ReX+jImX)=(ReZ·ReH+ImZ·ImH)+j(ImZ·ReH-ReZ·ImH).

Выходной сигнал X когерентного детектора является его мягким решением.

Весовой перемножитель 4 выполняет функцию взвешивания мягкого решения когерентного детектора путем умножения его на весовой коэффициент К.

Элемент задержки 5 запоминает комплексный сигнал на длительность тактового интервала Т.

Модулятор 6 представляет собой устройство, осуществляющее модуляцию опорного сигнала. Для сигналов фазовой телеграфии модуляция осуществляется путем поворота вектора опорного сигнала на определенный угол в соответствии с таблицей модуляции, устанавливающей соответствие между передаваемым символом и фазой модулированного сигнала. Опорным сигналом в данном случае является соответствующая составляющая оценки импульсной реакции канала.

Вычитатель 7 осуществляет операцию вычитания комплексных величин: (ReZ+jImZ)=(ReX-ReY)+j(ImX-ImY), где ReX, ImX - квадратурные составляющие уменьшаемого, ReY, ImY - квадратурные составляющие вычитаемого, ReZ, ImZ - квадратурные составляющие искомой разности.

Элемент вычисления мощности 8 осуществляет вычисление квадрата модуля комплексного сигнала |Z|²=(ReZ)²+(ImZ)² и его усреднение, формируя на выходе значение средней мощности Р этого сигнала. Формирователь весового коэффициента 9 осуществляет вычисление величины 1/Р, обратно пропорциональной средней мощности сигнала Р.

Схема снятия манипуляции 10 представляет собой устройство, осуществляющее под воздействием принятого решения о символе поворот вектора входного сигнала на тот же угол, что и в процессе модуляции, но в обратном направлении.

Накопитель 11, подключенный к выходу схемы снятия манипуляции, осуществляет накопление и усреднение оценки, соответствующей составляющей импульсной реакции канала.

Рассмотрим работу представленного на чертеже устройства в установившемся режиме. С целью простоты рассмотрения будем считать, что входной сигнал манипулирован по методу однократной ФТ (2-позиционный сигнал).

На верхний блок демодуляции из блока преобразования входного сигнала 1 поступают четные выборки комплексной огибающей входного сигнала, а на нижний блок демодуляции - нечетные выборки. Следовательно, на каждый из блоков демодуляции 2 выборки поступают с интервалом, равным длительности символа Т.

Рассмотрим работу одного (например, верхнего) блока демодуляции, остальные М-1 блоков демодуляции работают аналогично.

Поступающий сигнал проходит последовательно через элемент задержки 5 и блок вычитания 7 каждого из N блоков детектирования 12.

В устройстве перед входом каждого когерентного детектора 3, кроме первого, осуществляется компенсация запаздывающих интерференционных составляющих. Для этого в блоках вычитания 7 последовательно осуществляется вычитание сформированных оценок интерференционных составляющих входного сигнала, начиная с N-й составляющей и кончая первой.

Формирование определенной оценки интерференционной составляющей входного сигнала осуществляется с помощью модулятора 6, на один вход которого подается сигнал оценки, соответствующей составляющей импульсной реакции канала, а на другой вход - решение о символе, принятое на прошлом тактовом интервале.

Входную выборку на входе l-го блока детектирования можно представить как суперпозицию отсчетов сигналов интерференционных составляющих:

где Z_k,l - выборка сигнала на входе l-го блока детектирования на k-ом тактовом интервале,

Н_i - отсчет комплексной огибающей i-ой составляющей импульсной реакции канала,

b - передаваемый символ,

U - комплексная огибающая шумовой составляющей выборки,

N - число составляющих импульсной реакции канала.

На входе когерентного детектора 3 первого блока детектирования (самого левого на чертеже) присутствует полная выборка входного сигнала, в которой не скомпенсирована ни одна интерференционная составляющая. На входе когерентного детектора второго блока детектирования присутствует входной сигнал предыдущего тактового интервала, в котором скомпенсирована самая последняя по времени прихода интерференционная составляющая. Это вызвано тем, что в первом блоке из задержанного в элементе 5 входного сигнала в вычитателе 7 вычитается оценка самой последней по времени прихода интерференционной составляющей сигнала, которая сформирована в модуляторе 6. Во входном сигнале третьего по порядку когерентного детектора скомпенсированы уже две интерференционные составляющие, последние по времени прихода. Как видно из рассмотрения выражения (1), этот процесс последовательно приводит к постепенному уменьшению количества интерференционных составляющих на входах последующих когерентных детекторов. И, наконец, во входном сигнале N-го по порядку когерентного детектора присутствует только первая по времени прихода интерференционная составляющая, а все запаздывающие интерференционные составляющие скомпенсированы.

На выходе вычитателя 7 последнего блока детектирования формируется остаточный сигнал, в котором скомпенсированы все интерференционные составляющие входного сигнала. Этот остаточный сигнал используется для автоматического оценивания импульсной реакции канала, которое осуществляется с помощью совокупности схем снятия манипуляции 10 и накопителей 11.

На второй вход каждого из когерентных детекторов с выхода соответствующего накопителя 11 поступает отсчет соответствующей составляющей импульсной реакции канала. Мягкие решения с выходов всех когерентных детекторов 3 блока демодуляции через взвешивающие перемножители 4 поступают на N-входовый сумматор 13. Выходные сигналы сумматоров 13 всех блоков демодуляции 2 поступают на вход общего М-входового сумматора 14, к выходу которого подключена решающая схема 15. Выход решающей схемы является выходом устройства. Таким образом, решение выносится по взвешенной сумме мягких решений всех когерентных детекторов.

Сигналы отдельных интерференционных составляющих на выходах когерентных детекторов несут информацию об одном и том же символе, но принятую в разных тактовых интервалах. Поэтому можно считать, что они представляют собой совокупность разнесенных во времени сигналов, причем при их сложении за счет элементов задержки 5 осуществляется выравнивание сигналов во времени.

Известно [2], что правило оптимального сложения разнесенных сигналов предусматривает взвешивание их пропорционально ожидаемой амплитуде сигнала и обратно пропорционально мощности действующих в канале помех. В предлагаемом устройстве взвешивание пропорционально ожидаемой амплитуде сигнала обеспечивается тем, что модули комплексных отсчетов опорных сигналов когерентных детекторов, поступающих с выходов соответствующих накопителей 11, равны ожидаемым амплитудам принимаемых сигналов соответствующих интерференционных составляющих.

Для осуществления взвешивания обратно пропорционально мощности помех мягкие решения детекторов подаются в N-входовый сумматор 13 через перемножители 4. Весовые коэффициенты К для этих перемножителей в каждом блоке детектирования формируются с помощью соответствующих элемента вычисления мощности 8 и формирователя весового коэффициента 9.

Из рассмотрения схемы любого блока детектирования видно, что благодаря действию элемента задержки 5 и модулятора 6 сигнал на выходе вычитателя 7 представляет собой помеху, воздействовавшую на прием сигнала когерентного детектора в прошлом тактовом интервале. Эта помеха содержит шумовую составляющую и сумму интерференционных составляющих, запаздывающих по времени прихода относительно детектируемой составляющей. В элементе вычисления мощности 8 вычисляется усредненный квадрат модуля этой помехи, являющийся оценкой мощности помехи Р, а в формирователе 9 вычисляется обратная величина, которая является весовым коэффициентом К=1/Р. Таким образом, можно считать, что в устройстве осуществляется весовое сложение разнесенных во времени отдельных интерференционных составляющих входного сигнала, пропорционально ожидаемой амплитуде сигнала и обратно пропорционально мощности действующих на каждый соответствующий когерентный детектор помех, реализуя близкий к оптимальному алгоритм сложения.

Решения, принятые решающей схемой 15, поступают на выход устройства и одновременно - на вход регистра сдвига 17.

На выходе последнего вычитателя 7 формируется отсчет остаточного сигнала, который содержит шумовую составляющую и соответствующие ошибки компенсации интерференционных составляющих. Этот остаточный сигнал используется для вычисления отсчетов импульсной реакции канала, которое осуществляется с помощью схем снятия манипуляции 10 и накопителей 11 в каждом из блоков детектирования 2. При этом на первые входы всех схем снятия манипуляции 10 одного и того же блока демодуляции 2 поступает остаточный сигнал с выхода последнего вычитателя 7 этого блока демодуляции, а на вторые входы поступает соответствующее принятое решение с соответствующего выхода регистра сдвига 17. На выходе накопителей 11 формируются соответствующие отсчеты оценки импульсной реакции канала.

Введение в устройство (М-1) дополнительных блоков демодуляции и учет мощности помех при вычислении весовых коэффициентов обеспечивает решение первой задачи изобретения - повышение помехоустойчивости приема, а введением в устройство модуляторов и схем снятия манипуляции вместо перемножителей решается вторая задача изобретения - обеспечение применимости к приему многопозиционных сигналов.

Источники информации

1. А.С. 879786 СССР, кл. Н 04 В 3/04. Адаптивный корректор межсимвольных искажений, Б.П.Крысин и др. - Опубликовано 1981, Бюл. №41.

2. Андронов И.С, Финк Л.М. Передача дискретных сообщений по параллельным каналам. Изд-во "Советское радио", Москва, 1971, стр.55.

Цифровое устройство для демодуляции дискретных сигналов в многолучевом канале связи, содержащее блок преобразования входного сигнала, решающую схему, регистр сдвига и блок демодуляции, который состоит из N последовательно соединенных блоков детектирования и N-входового сумматора, причем каждый блок детектирования содержит элемент задержки сигнала, когерентный детектор, весовой перемножитель, вычитатель и накопитель, причем вход блока детектирования соединен со входом элемента задержки сигнала и первым входом когерентного детектора, выход которого через весовой перемножитель соединен с соответствующим входом N-входового сумматора, а второй вход когерентного детектора соединен с выходом накопителя, при этом выход элемента задержки соединен с первым выходом вычитателя, выход которого является выходом блока детектирования, причем вход каждого i-го блока детектирования соединен с выходом (i-1)-го блока детектирования, а вход первого блока детектирования соединен с соответствующим выходом блока преобразования входного сигнала, вход которого является входом устройства, причем выход N-входового сумматора является выходом блока демодуляции, отличающееся тем, что в устройство введены (М-1) дополнительных блоков демодуляции и М-входовый сумматор, входы которого соединены с выходами соответствующих блоков демодуляции, а выход которого соединен со входом решающей схемы, выход которой является выходом устройства и соединен со входом регистра сдвига, при этом в каждый блок детектирования каждого из блоков демодуляции введены модулятор, элемент вычисления мощности, формирователь весового коэффициента и схема снятия манипуляции, причем модулятор первым входом соединен с выходом накопителя, вторым входом соединен с выходом решающей схемы, а выходом соединен со вторым входом вычитателя, элемент вычисления мощности своим входом и выходом соединен с выходом вычитателя и входом формирователя весового коэффициента соответственно, а выход формирователя весового коэффициента соединен со вторым входом весового перемножителя, первый вход схемы снятия манипуляции соединен с соответствующим выходом регистра сдвига, причем вторые входы всех схем снятия манипуляции каждого из блоков демодуляции присоединены к выходу вычитателя последнего блока детектирования того же блока демодуляции.