Устройство для приема сигналов с минимальной частотной модуляцией

Изобретение относится к цифровой радиосвязи, к системам передачи дискретной информации для приема сигналов с минимальной частотной модуляцией (МЧМ). Технический результат состоит в обеспечении оптимального когерентного приема сигналов с МЧМ с учетом корреляционной связи между их символами, что обеспечивает повышение верности приема. Для этого устройство содержит синхронизатор, первый и второй корреляторы, первое и второе устройства выборки/хранения, компаратор, устройство выбора пары сигналов, имеющих большие корреляционные метрики, устройство принятия решения о принимаемом сигнале, устройство задержки и дешифратор. 5 ил.

 

Изобретение относится к электросвязи, а именно к цифровой радиосвязи, и может быть использовано в системах передачи сигналов с минимальной частотной модуляцией (МЧМ) без разрыва фазы.

Известно устройство для приема частотно-манипулированных сигналов (Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. - М., Сов. радио, 1970, с.155-156), содержащее синхронизатор, первый и второй корреляторы, первый и второй блоки вычисления модуля сигнала, блок вычитания, компаратор, тактовый вход которого подключен к тактовому выходу синхронизатора и к тактовым входам первого и второго корреляторов, информационные входы которых соединены с входом устройства, а опорные входы - соответственно с первым и вторым опорными выходами синхронизатора, при этом выход триггера является выходом устройства.

Недостатком известного устройства для приема частотно-манипулированных сигналов является недостаточная верность демодулированных сигналов, т.к. при приеме не учитывается корреляционная связь между элементарными сигналами (символами) принимаемых сигналов с МЧМ без разрыва фазы.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для приема сигналов с минимальной угловой модуляцией (патент РФ №2234198 С1, кл. Н 04 L 27/14, 2004), содержащее синхронизатор, первый и второй корреляторы, первый сумматор, компаратор и относительный декодер, тактовый выход которого подключен к тактовому выходу синхронизатора и к тактовым входам первого и второго корреляторов, информационные входы которых соединены с входом устройства и входом синхронизатора, а опорные входы - соответственно с первым и вторым опорными выходами синхронизатора, при этом выход первого сумматора подключен к прямому входу компаратора, первое, второе, третье и четвертое устройства выборки/хранения, второй сумматор и перемножитель, выход которого подключен к инверсному входу компаратора, первый вход - к выходу второго сумматора, а второй вход - к управляющим входам первого и второго устройств выборки/хранения и к прямому управляющему выходу синхронизатора, инверсный управляющий выход которого соединен с управляющими входами третьего и четвертого устройств выборки/хранения, выходы которых подключены к первым входам соответственно первого и второго сумматоров, вторые входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго устройств выборки/хранения, информационные входы которых подключены к выходам соответственно первого и второго корреляторов и к информационным входам соответственно третьего и четвертого устройств выборки/хранения, причем вход синхронизатора подключен к входу устройства, первым информационным выходом которого является выход компаратора, который подключен к информационному входу относительного декодера, выход которого является вторым информационным выходом устройства, синхровыход которого соединен с тактовым выходом синхронизатора.

Известное устройство при работе в режиме приема сигналов с МЧМ без разрыва фазы обеспечивает более высокую верность приема таких сигналов за счет учета корреляционной связи между их элементарными сигналами (символами).

Однако недостатком известного устройства при приеме сигналов с МЧМ также является недостаточная верность демодулированных сигналов, т.к. прием сигналов с МЧМ без разрыва фазы осуществляют в два этапа: вначале сигнал с МЧМ принимают как сигнал с минимальной фазовой модуляцией, затем выполняют относительное декодирование этого сигнала. В результате применения относительного декодирования происходит удвоение числа ошибок при опознании элементарных сигналов (символов) в принимаемом сигнале с МЧМ.

Для устранения указанного недостатка необходимо обеспечить непосредственный оптимальный корреляционный прием сигналов с МЧМ.

Задачей изобретения является повышение верности приема сигналов с МЧМ.

Достигается решение поставленной задачи тем, что в устройство для приема сигналов с минимальной частотной модуляцией, содержащее синхронизатор, компаратор, первое и второе устройства выборки/хранения, первый и второй корреляторы, тактовые входы которых подключены к синхровыходу устройства и к тактовому выходу синхронизатора, первый и второй опорные выходы которого соединены с опорными входами соответственно первого и второго корреляторов, информационные входы которых подключены ко входу синхронизатора и ко входу устройства, а выходы - к информационным входам соответственно первого и второго устройств выборки/хранения, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами компаратора, введены устройство выбора пары выживших узлов, устройство задержки, устройство выбора выжившего узла и дешифратор, выход которого является информационным выходом устройства, а вход подключен к выходу устройства выбора выжившего узла, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым входами устройства задержки и с первым и вторым выходами устройства выбора пары выживших узлов, информационный вход которого подключен к выходу компаратора, а тактовый вход - к тактовому выходу синхронизатора и к тактовым входам первого и второго устройств выборки/хранения, причем первый и второй выходы устройства задержки соединены соответственно с третьим и четвертым входами устройства выбора выжившего узла.

Предлагаемое устройство для приема сигналов с МЧМ непосредственно реализует их оптимальный корреляционный прием и обеспечивает повышение верности приема таких сигналов.

Сравнительный анализ с прототипом показал, что предлагаемое устройство для приема сигналов с МЧМ включает в себя новые существенные признаки, изложенные в формуле изобретения. Следовательно, техническое решение соответствует критерию "новизна".

Так как требуемый технический результат достигается всей вновь введенной совокупностью существенных признаков, которые в известной патентной и научной литературе на дату подачи заявки не обнаружены, то предлагаемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 показана электрическая структурная схема предлагаемого устройства для приема сигналов с МЧМ, на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу, на фиг.3, 4 - решетчатые диаграммы принимаемого сигнала с МЧМ на трех символьных интервалах, на фиг.5 - электрическая структурная схема прототипа.

Устройство для приема сигналов с МЧМ (см. фиг.1) содержит синхронизатор 1, первый и второй корреляторы 2 и 3, первое и второе устройства 4 и 5 выборки/хранения, компаратор 6, устройство 7 выбора пары выживших узлов, устройство 8 выбора выжившего узла, устройство 9 задержки и дешифратор 10. С входом устройства соединены входы синхронизатора 1, первого и второго корреляторов 2 и 3. Тактовый выход синхронизатора 1 подключен к тактовым входам первого и второго корреляторов 2 и 3, первого и второго устройств 4 и 5 выборки/хранения, устройства 7 выбора пары выживших узлов и является синхровыходом устройства.

Первый и второй опорные выходы синхронизатора 1 соединены с опорными входами соответственно первого и второго корреляторов 2 и 3. Выходы первого и второго корреляторов 2 и 3 подключены к информационным входам соответственно первого и второго устройств 4 и 5 выборки/хранения, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами компаратора 6. Выход компаратора 6 подключен к информационному входу устройства 7 выбора пары выживших узлов, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами устройства 8 выбора выжившего узла непосредственно и соответственно с его третьим и четвертым входами через устройство 9 задержки. Выход устройства 8 выбора выжившего узла подключен к входу дешифратора 10, выход которого является информационным выходом устройства.

Работает устройство для приема сигналов с МЧМ следующим образом. Принимаемый сигнал с МЧМ, значение передаваемого логического символа "1" или "0" в котором заложено в частоту соответствующего элементарного сигнала (символа), при отсутствии шума на любом k-м символьном интервале длительностью Т может быть представлен одним из четырех элементарных сигналов

где А - амплитуда сигнала;

- начальная фаза сигнала на границе k-го символьного интервала,

ω₀ и ω₁ - круговые частоты элементарных сигналов, соответствующих передаваемым логическим символам "0" и "1", причем их разность ω₁-ω₀=2π/2T=π/T.

Любые два последовательных элементарных сигнала коррелированы друг с другом, что отражает решетчатая диаграмма сигнала с МЧМ (см. фиг.3).

Узлам указанной решетчатой диаграммы соответствуют элементарные сигналы S₁, S₂, S₃ или S₄, передаваемые в соответствующих (k=0, 1, 2, 3,...) символьных интервалах длительностью Т, а ребрам - разрешенные мгновенные переходы между указанными элементарными сигналами, передаваемыми в смежных символьных интервалах.

При этом показанные пунктирными линиями ребра, входящие в узлы слева, соответствуют передаваемым логическим символам "1" (элементарным сигналам S₂ или S₃), а ребра, показанные сплошными линиями, - передаваемым логическим символам "0" (элементарным сигналам S₁ или S₄).

Разрешенные последовательности элементарных сигналов сигнала с МЧМ определяются разрешенными путями на решетчатой диаграмме.

Для определения принятого на k-м символьном интервале логического символа необходимо определить, с какой из разрешенных последовательностей элементарных сигналов наиболее коррелирована реализация принятого сигнала с МЧМ на k- и (k+1)-м символьных интервалах.

Для этого на информационные входы первого и второго корреляторов 2 и 3 подают принимаемый сигнал с МЧМ (фиг.2,а), при этом на тактовые входы первого и второго корреляторов 2 и 3 с тактового выхода синхронизатора 1 подают тактовые импульсы (фиг.2,б) с периодом следования Т, а на опорные входы первого и второго корреляторов 2 и 3 с соответствующих выходов синхронизатора 1 подают опорные элементарные сигналы (фиг.2,в и фиг.2,г)

где A₀ - амплитуда и начальная фаза опорных элементарных сигналов.

Значения сигналов на выходах первого и второго корреляторов 2 и 3 (фиг.2,д и фиг.2,е) в конце k-го символьного интервала равны соответственно значениям a₁(k) и а₃(k) корреляционных метрик (значениям корреляционных интегралов между принимаемым сигналом и элементарными опорными сигналами S_оп1 и S_оп3) узлов S₁ и S₃.

Значения выходных сигналов (фиг.3,ж и фиг.3,з) первого и второго устройств выборки/хранения 4 и 5 постоянны в течение очередного (k+1)-го символьного интервала и равны значениям соответствующих корреляционных метрик а₁(k) и а₃(k) (фиг.4,а и фиг.4,б) на их информационных входах в моменты времени, соответствующие поступлению на их тактовые входы тактовых импульсов (см. фиг.2,б) с тактового выхода синхронизатора 1.

Выходные сигналы (см. фиг.3,ж и фиг.3,з) первого и второго устройств выборки/хранения 4 и 5 подают соответственно на первый и второй входы компаратора 6.

На выходе компаратора 6 получают сигнал (фиг.2,и), значения b(k) которого постоянны в течение любого (k+1)-го символьного интервала и равны b(k)=1, если сигнал на первом входе компаратора 6 превышает сигнал на его втором входе (а₁(k)>а₃(k)), и b(k)=-1 в обратном случае (а₁(k)<а₃(k)), что отражает результаты сравнения корреляционных метрик узлов S₁ и S₃ на k-м символьном интервале.

С выхода компаратора 6 сигнал b(k) (см. фиг.2,и) поступает в течение (k+1)-го символьного интервала на информационный вход устройства 7 выбора пары выживших узлов, на тактовый вход которого подают тактовые импульсы (см. фиг.2,б) с тактового выхода синхронизатора 1. На первом и втором выходах устройства 7 выбора пары выживших узлов получают сигналы c₁(k) и c₂(k) (фиг.2,к и фиг.2,л), значения которых постоянны в течение (k+1)-го символьного интервала и определяются следующим образом. Если на входе устройства 7 выбора пары выживших узлов значение сигнала равно b(k)="+1", то на его первом и втором выходах сигналы с₁(k) и с₂(k) (фиг.2,к и фиг.2,л) принимают значения соответственно c₁(k)=\ и c₂(k)=2, что соответствует выбору двух узлов S₁ и S₂ (см. фиг.4,а) с большими корреляционными метриками.

Если на входе устройства 7 выбора пары выживших узлов значение сигнала равно b(k)="-1", то на его первом и втором выходах сигналы c₁(k) и c₂(k) (фиг.2,к и фиг.2,л) принимают значения соответственно c₁(k)=3 и c₂(k)=4, что соответствует выбору двух узлов S₃ и S₄ (см. фиг.4,а).

На первый и второй входы устройства 8 выбора выжившего узла в течение (k+2)-го символьного интервала подают непосредственно сигналы c₁(k+1) и c₂(k+1) (фиг.2,к и фиг.2,л) с соответственно первого и второго выходов устройства 7 выбора пары выживших узлов. При этом на третий и четвертый входы устройства 8 выбора выжившего узла подают через устройство 9 задержки сигналы c₁(k) и c₂(k) (фиг.2,м и фиг.2,н) с соответственно первого и второго выходов устройства 7 выбора пары выживших узлов, задержанные на один символьный интервал по отношению к сигналам, подаваемым на 1 и 2 входы устройства 8 выбора выжившего узла.

Устройство 8 выбора выжившего узла определяет на (k+2)-м символьном интервале выживший на k-м тактовом интервале узел следующим образом. Если на первом, втором, третьем и четвертом входах устройства 8 выбора выжившего узла сигналы (см. фиг.2,к, фиг.2,л, фиг.2,м и фиг.2,н) принимают значения соответственно c₁(k+1)=1, c₂(k+1)=2, c₃(k)=1 и c₂(k)=2, то сигнал d(k) (см. фиг.2,о) на выходе устройства 8 выбора выжившего узла принимает значение d(k)=1, что соответствует принятию решения о том, что на k-м тактовом интервале выжил узел S₁.

Если на первом, втором, третьем и четвертом входах устройства 8 выбора выжившего узла сигналы (см. фиг.2,к, фиг.2,л, фиг.2,м и фиг.2,н) принимают значения соответственно c₁(k+1)=1, c₂(k+1)=2, c₁(k)=3 и с₂(k)=4, то сигнал d(k) (см. фиг.2,о) на выходе устройства 8 выбора выжившего узла принимает значение d(k)=2, что соответствует принятию решения о том, что на k-м тактовом интервале выжил узел S₂.

Если на первом, втором, третьем и четвертом входах устройства 8 выбора выжившего узла сигналы (см. фиг.2,к, фиг.2,л, фиг.2,м и фиг.2,н) принимают значения соответственно c₁(k+1)=3, c₂(k+1)=4, c₁(k)=1 и c₂(k)=2, то сигнал d(k) (см. фиг.2,о) на выходе устройства 8 выбора выжившего узла равен d(k)=3, что соответствует принятию решения о том, что на k-м тактовом интервале выжил узел S₃.

Если на первом, втором, третьем и четвертом входах устройства 8 выбора выжившего узла сигналы (см. фиг.2,к, фиг.2,л, фиг.2,м и фиг.2,н) принимают значения соответственно c₁(k+1)=3, c₂(k+1)=4, c₁(k)=3 и c₂(k)=4, то сигнал d(k) (см. фиг.2,о) на выходе устройства 8 выбора выжившего узла принимает значение d(k)=4, что соответствует принятию решения о том, что на k-м тактовом интервале выжил узел S₄ (см. фиг.4,б).

Сигнал d(k) (см. фиг.2,о) с выхода устройства 8 выбора выжившего узла поступает на (k+2)-м символьном интервале на вход дешифратора, который ставит в соответствие выжившему на k-м символьном интервале узлу решетчатой диаграммы S₁, S₂, S₃ или S₄ значение "1" или "0" логического символа e(k) (фиг.2,п), принимаемого сигнала с МЧМ.

Значение логического символа e(k) на выходе дешифратора 10 определяется по следующему правилу: если входной сигнал d(k) (см. виг. 2,о) на входе дешифратора 10 принимает значения d(k)=1 или d(k)=4, то выходной сигнал e(k) (фиг.2,п) принимает значение e(k)=0, если входной сигнал d(k) (см. фиг.2,о) на входе дешифратора 10 принимает значения d(k)=2 или d(k)=3, то выходной сигнал e(k) (фиг.2,п) принимает значение e(k)=1.

На синхровыход устройства с тактового выхода синхронизатора 1 подают тактовые импульсы (см. фиг.2,б) с периодом следования Т.

Устройство для приема сигналов с МЧМ реализует следующий алгоритм.

1. Последовательно на каждом текущем (0, 1, 2, 3, ...) символьном интервале длительностью T, соответствующем очередным четырем вертикально расположенным узлам S₁, S₂, S₃, и S₄ решетчатой диаграммы (см. фиг.3), вычисляют две корреляционные метрики узлов S₁ и S₃ (два корреляционных интеграла между входным сигналом и опорным и элементарными сигналами S_оп1 и S_оп3.

2. Последовательно на каждом последующем (1, 2, 3, 4, ...) символьном интервале выбирают два выживших на предшествующем символьном интервале узла S₁ и S₂ или S₃ и S₄ из четырех возможных узлов S₁, S₂, S₃ или S₄ по следующему правилу: если корреляционная метрика узла S₁ больше корреляционной метрики узла S₃, то выбирают узлы S₁ и S₂, в противном случае выбирают узлы S₃ и S₄ (см. фиг.4,а).

3. Последовательно для каждой пары последовательных символьных интервалов (0 и 1, 1 и 2, 2 и 3, ...) сравнивают две пары выбранных на них выживших узлов и выбирают из первой пары выживших узлов один выживший узел, связанный ребрами на решетчатой диаграмме с узлами второй последующей пары выживших узлов (см. фиг.4,б).

4. Определяют принятый логический символ по правилу: если выжил узел S₁ или S₄, то принят логический символ "0", в противном случае принят логический символ "1".

Предлагаемый алгоритм позволяет в соответствии с разрешенными по решетчатой диаграмме переходами и перечнем выживших узлов на двух последовательных тактовых интервалах определить единственный выживший на первом тактовом интервале узел. Поскольку каждому узлу решетчатой диаграммы соответствует один возможный элементарный сигнал, то решение о принятом логическом символе выносится однозначно.

Например, на фиг.4,а изображен первый шаг алгоритма, в результате выполнения которого выбраны узлы S₃ и S₄. На втором шаге алгоритма (фиг.4,б) выбраны также узлы S₃ и S₄. На третьем шаге работы алгоритма принимают решение о выборе на первом шаге узла S₄, поскольку из узлов S₃ и S₄ только узел S₄ позволяет дальнейший переход в узлы S₃ и S₄. На четвертом шаге алгоритма принимают решение о приеме логического символа "0".

Устройство для приема сигналов с МЧМ может быть реализовано на известных функциональных элементах.

Возможный пример выполнения синхронизатора 1 известен из прототипа, другие составные части предлагаемого устройства могут быть реализованы на стандартных функциональных элементах.

Изложенные выше сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- предлагаемое устройство предназначено для использования в промышленности, а именно в технике связи, в частности, в цифровых системах передачи сигналов с МЧМ,

- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов.

Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию "промышленная применимость".

При использовании предлагаемого устройства для приема сигналов с МЧМ обеспечивается реализация оптимального когерентного приема указанных сигналов с учетом корреляционной связи между их символами, что обеспечивает повышение верности приема.

Устройство для приема сигналов с минимальной частотной модуляцией, содержащее синхронизатор, компаратор, первое и второе устройства выборки/хранения, первый и второй корреляторы, тактовые входы которых подключены к синхровыходу устройства и к тактовому выходу синхронизатора, первый и второй опорные выходы которого соединены с опорными входами соответственно первого и второго корреляторов, информационные входы которых подключены ко входу синхронизатора и ко входу устройства, а выходы - к информационным входам соответственно первого и второго устройств выборки/хранения, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами компаратора, отличающееся тем, что введены устройство выбора пары сигналов, имеющих большие корреляционные метрики, устройство задержки, устройство принятия решения о принимаемом сигнале и дешифратор, выход которого является информационным выходом устройства, а вход подключен к выходу устройства принятия решения о принимаемом сигнале, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым входами устройства задержки и с первым и вторым выходами устройства выбора пары сигналов, имеющих большие корреляционные метрики, информационный вход которого подключен к выходу компаратора, а тактовый вход - к тактовому выходу синхронизатора и к тактовым входам первого и второго устройств выборки/хранения, причем первый и второй выходы устройства задержки соединены соответственно с третьим и четвертым входами устройства принятия решения о принимаемом сигнале.