Способ демодуляции частотно-модулированных сигналов



Способ демодуляции частотно-модулированных сигналов
Способ демодуляции частотно-модулированных сигналов
Способ демодуляции частотно-модулированных сигналов

 


Владельцы патента RU 2572105:

Открытое акционерное общество Московский научно-исследовательский институт "АГАТ" (RU)

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для обработки сигналов при приеме частотно-модулированных сигналов. Способ демодуляции частотно-модулированных сигналов заключается в преобразовании частотно-модулированного сигнала в цифровую форму и получении двух квадратурных сигналов. Затем отсчеты квадратурных сигналов пропускают через цифровой фильтр нижних частот, вычисляют значение модуля отсчетов сигнала, при этом каждый квадратурный сигнал дополнительно пропускают через цифровой дифференцирующий фильтр, импульсная характеристика которого соответствует производной от импульсной характеристики фильтра нижних частот, отсчеты сигналов с выходов низкочастотных и дифференцирующих фильтров прореживают, значения модуля отсчетов сигнала вычисляют из прореженных отсчетов с выхода низкочастотного фильтра, после чего осуществляют сглаживающую фильтрацию модуля сигнала, прореженные реальные отсчеты с выхода низкочастотного фильтра умножают на мнимые отсчеты с выхода дифференцирующего фильтра, а мнимые отсчеты с выхода низкочастотного фильтра умножают на реальные отсчеты с выхода дифференцирующего фильтра, результаты умножения вычитают, осуществляют деление на сглаженный модуль сигнала. Способ демодуляции позволяет проводить демодуляцию частотно-модулированных сигналов при существенно меньших соотношениях сигнал/шум, а также снизить необходимую вычислительную производительность цифрового демодулятора. 1 ил.

 

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для обработки сигналов при приеме частотно-модулированных сигналов.

Известен способ демодуляции частотно-модулированных (ЧМ) сигналов, который основан на преобразовании частотно-модулированного напряжения в амплитудно-частотно-модулированное с последующим амплитудным детектированием. В качестве преобразователя частотно-модулированного напряжения в амплитудно-частотно-модулированное используются два взаимно расстроенных колебательных контура [А.И. Куприянов, А.В. Сахаров. Радиоэлектронные системы в информационном конфликте, Москва, «Вузовская книга, 2003, стр.21, Рис.1.9].

Недостатком данного способа является нестабильность центральной частоты и крутизны частотной характеристики демодулятора.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ демодуляции ЧМ сигналов [А.Б. Сергиенко. Цифровая обработка сигналов, издательский дом «Питер» 2003 год, стр.457-459], принятый за прототип данного изобретения.

В прототипе входной частотно-модулированный сигнал преобразуют в цифровую форму с помощью АЦП. Далее осуществляют квадратурную обработку. При этом отсчеты сигнала поступают на два умножителя, где их умножают на отсчеты двух опорных колебаний, сдвиг по фазе между которыми составляет 90°. Каждый из результатов умножения содержит два слагаемых - низкочастотное и высокочастотное. Низкочастотные составляющие выделяют с помощью ФНЧ. Вычисляют квадрат модуля этих составляющих. Далее каждую из пар квадратурных составляющих подвергают дифференцированию методом вычитания двух соседних отсчетов. С помощью умножителей производную реальной части сигнала умножают на мнимую часть сигнала, а производную мнимой части сигнала умножают на реальную часть сигнала. Результаты перемножения вычитают в сумматоре. Полученную сумму нормируют с помощью делителя, на выходе которого получают отсчеты демодулированного сигнала.

Недостатком данного способа является то, что он пригоден к применению только при частоте дискретизации, много большей, чем частота сигнала, поскольку производная сигнала должна вычисляться по двум дискретным отсчетам. Большая частота дискретизации в свою очередь приводит к большим вычислительным затратам. Дополнительным недостатком данного способа является неустойчивость работы демодулирующего устройства при малом соотношении сигнал/шум, так как модуль одного отсчета с большой вероятностью может принимать близкие к нулю значения, соответственно при нормировке, заключающейся в делении на модуль сигнала, возникают выбросы демодулированного сигнала.

Целью данного изобретения является обеспечение демодуляции ЧМ сигнала при малых соотношениях сигнал/шум и снижение необходимой вычислительной производительности за счет снижения частоты дискретизации до значений, близких к частоте Найквиста.

Поставленная цель достигается за счет того, что в известном способе демодуляции ЧМ сигнала, заключающемся в том, что ЧМ сигнал преобразуют в цифровую форму, получают два квадратурных сигнала умножением отсчетов сигнала на отсчеты двух опорных колебаний, сдвиг по фазе между которыми составляет 90°, вычисляют низкочастотные составляющие каждого из полученных квадратурных сигналов, вычисляют значение модуля отсчетов сигнала с выходов фильтров низких частот, при этом осуществляют сглаживающую фильтрацию модуля сигнала, а каждый квадратурный сигнал пропускают через цифровой дифференцирующий фильтр, отсчеты сигналов с выходов низкочастотных и дифференцирующих фильтров прореживают, прореженные реальные отсчеты с выхода низкочастотного фильтра умножают на мнимые отсчеты с выхода дифференцирующего фильтра, а мнимые отсчеты с выхода низкочастотного фильтра умножают на реальные отсчеты с выхода дифференцирующего фильтра, результаты умножения вычитают, осуществляют деление на сглаженный модуль сигнала.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ демодуляции ЧМ сигналов, приведена на Рис.1, где

1 - входной сигнал,

2 - аналого-цифровой преобразователь,

3 - умножитель,

4 - фильтр низкой частоты,

5 - дифференцирующий фильтр,

6 - дециматор, осуществляющий прореживание отсчетов,

7 - вычислитель модуля,

8 - сглаживающий фильтр,

9 - умножитель,

10 - сумматор,

11 - делитель.

Входной частотно-модулированный сигнал 1 преобразуют в цифровую форму с помощью АЦП 2. Далее отсчеты сигнала поступают на два умножителя 3, где их умножают на отсчеты двух опорных колебаний, сдвиг по фазе между которыми составляет 90°. Каждая из квадратурных составляющих одновременно поступает на фильтр низкой частоты 4 и дифференцирующий фильтр 5. Отсчеты с выходов фильтров прореживают с помощью дециматоров 6. Вычисляют квадрат модуля сигнала с выходов фильтра низкой частоты с помощью вычислителя 7. Сглаживающим фильтром 8 осуществляют фильтрацию квадрата модуля сигнала. С помощью умножителей 9 прореженные реальные отсчеты с выхода ФНЧ умножают на мнимые отсчеты с выхода дифференцирующего фильтра, а мнимые отсчеты с выхода ФНЧ умножают на реальные отсчеты с выхода дифференцирующего фильтра, результаты умножения вычитают в сумматоре 10. С помощью делителя 11 осуществляют деление полученной суммы на сглаженный модуль сигнала.

В предлагаемом способе демодуляция ЧМ сигналов построена на основе методов цифровой фильтрации. Из теории линейных фильтров известно, что выходной процесс фильтра y(t) связан с входным процессом x(t) выражением

y(t) = t x( τ )h(t- τ )d τ              (1)

где h(t) - импульсная характеристика фильтра. Известно также, что частотная характеристика фильтра H(f) связана с его импульсной характеристикой преобразованием Фурье.

Рассмотрим полосовой низкочастотный фильтр Н с полосой пропускания В и частотной характеристикой

H ( f ) = { 1  при  | f | B 2 0  при  | f | > B 2                ( 2 )

Как известно, нормированная импульсная характеристика такого фильтра имеет вид

h ( τ ) = sin ( π B τ ) π B τ                       (3)

Построим дифференцирующий фильтр с импульсной характеристикой

h d ( τ ) = d h ( τ ) d τ = π B ( cos ( π B τ ) π B τ sin ( π B τ ) ( π B τ ) 2 ) .                                                      (4)

В соответствии с правилом дифференцирования при вычислении спектров, если имеется временная функция x(t) и известно ее Фурье-преобразование X(f), то Фурье-преобразование для ее производной d x ( t ) d t равно j2πfX(f). Таким образом, частотная характеристика фильтра hd(τ) будет иметь вид

H d ( f ) = { j 2 p f   при  | f | B 2 0        при  | f | > B 2                                                                     (5)

Как видно, модуль частотной характеристики полученного фильтра в полосе пропускания пропорционален частоте. Такой фильтр может быть использован как основа для частотного демодулятора.

Если подать на вход фильтра Hd комплексный сигнал x(t)=Aej2πft, то на выходе фильтра получим

y d ( t ) = H d ( f ) x ( t ) = j 2 π f A e j 2 π f t                     (6)

Как видно, амплитуда выходного сигнала зависит как от частоты, так и от амплитуды входного сигнала. Теперь необходима нормировка выходного сигнала и детектирование. Для этого пропустим сигнал x(t) также через фильтр H(f)

y ( t ) = H ( f ) x ( t ) = A e j 2 π f t                                        (7)

и вычислим значение

U D = Im ( y d ( t ) y ( t ) )   = 2 π f                    (8)

Таким образом, выходной сигнал демодулятора не зависит от амплитуды входного сигнала. Операция деления комплексных чисел реализуется согласно выражению

U D = Im ( y d ( t ) y ( t ) )   = Im ( y d ( t ) y * ( t ) y ( t ) y * ( t ) )   = Re(y d ( t ) ) Im ( y ( t ) ) Re(y ( t ) ) Im ( y d ( t ) ) (Re(y ( t ) ) ) 2 + ( Im ( y ( t ) ) ) 2    (9)

Выражение (9) реализуется элементами 7, 8, 9, 10, 11 схемы, показанной на Рис.1.

Введение сглаживающего фильтра в знаменатель выражения уменьшает вероятность появления выбросов и соответственно увеличивает вероятность правильного приема при малых соотношениях сигнал/шум.

Таким образом, приведенный процесс реализует демодуляцию ЧМ сигнала, в том числе при малом соотношении сигнал/шум.

В практике аналоговых фильтров приведенную последовательность операций реализовать практически невозможно. Однако в технике цифровой обработки сигналов фильтры с импульсными характеристиками, приближенными к требуемым, вполне могут быть построены. Фильтры Н и Hd могут быть реализованы на основе четырех параллельно действующих нерекурсивных фильтров с конечной импульсной характеристикой - КИХ-фильтров, выполненных аппаратно. После фильтрации отсчеты могут быть прорежены до частоты, близкой к частоте Найквиста. При этом операции комплексного деления и сглаживающей фильтрации знаменателя проводятся на низкой частоте, что экономит вычислительные ресурсы процессора при сохранении высокой точности демодуляции.

Способ демодуляции частотно-модулированных сигналов, заключающийся в том, что частотно-модулированный сигнал преобразуют в цифровую форму, получают два квадратурных сигнала умножением отсчетов сигнала на отсчеты двух опорных колебаний, сдвиг по фазе между которыми составляет 90°, отсчеты квадратурных сигналов пропускают через цифровой фильтр нижних частот, вычисляют значение модуля отсчетов сигнала, отличающийся тем, что каждый квадратурный сигнал дополнительно пропускают через цифровой дифференцирующий фильтр, импульсная характеристика которого соответствует производной от импульсной характеристики фильтра нижних частот, отсчеты сигналов с выходов низкочастотных и дифференцирующих фильтров прореживают, значения модуля отсчетов сигнала вычисляют из прореженных отсчетов с выхода низкочастотного фильтра, после чего осуществляют сглаживающую фильтрацию модуля сигнала, прореженные реальные отсчеты с выхода низкочастотного фильтра умножают на мнимые отсчеты с выхода дифференцирующего фильтра, а мнимые отсчеты с выхода низкочастотного фильтра умножают на реальные отсчеты с выхода дифференцирующего фильтра, результаты умножения вычитают, осуществляют деление на сглаженный модуль сигнала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для применения в приемниках спутниковых навигационных систем с использованием прямого преобразования частоты.

Изобретение относится к областям радиосвязи, радиолокации, радионавигации и может быть использовано для создания устройств усиления и частотной демодуляции. Достигаемый технический результат - увеличение линейного участка частотной демодуляционной характеристики и увеличение динамического диапазона.

Изобретение относится к области приема цифровых сигналов, передаваемых методом относительной фазовой модуляции (ОФМ), и может быть использовано для построения устройств демодуляции.

Изобретение относится к области передачи информации с использованием шумоподобных сигналов (ШПС) путем формирования частотно-временной матрицы (ЧВМ) ШПС, передачи частотно-временных элементов (ЧВЭ) и средств извлечения из принятых сигналов ЧВМ переданной информации.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в различных системах цифровой обработки сигналов. Технический результат заключается в повышении достоверности обнаружения фазоманипулированного сигнала за счет увеличения уровня сигнала по отношению к уровню шума на выходе устройства и оценки уровня шума для формирования порога принятия решения о наличии сигнала.

Цифровой демодулятор сигналов с частотной модуляцией относится к области радиотехники и может быть использован в устройствах приема дискретной и аналоговой информации для цифровой демодуляции сигналов с частотной модуляцией или манипуляцией (ЧМ).

Изобретение относится к области радиосвязи и радиолокации. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости приемника.

Изобретение относится к радиосвязи и может быть использовано для формирования фазоманипулированных, а также фазомодулированных сигналов или их демодуляции. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости приемника.

Изобретение относится к радиосвязи и может быть одновременно использовано для демодуляции и фильтрации фазомодулированных, а также фазоманипулированных сигналов.

Изобретение относится к радиосвязи и может быть одновременно использовано для формирования требуемых амплитудно-манипулированных или амплитудно-модулированных сигналов, а также для демодуляции указанных типов сигналов.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для детектирования частотно-модулированных сигналов. Техническим результатом изобретения является повышение точности преобразования частоты в напряжение за счет формирования линейного участка с большой крутизной амплитудно-частотной характеристики преобразователя частотной модуляции в амплитудно-частотную посредством последовательного соединения по меньшей мере двух фильтров верхних/нижних частот второго порядка, резонансные частоты и добротности которых определяют из условия минимизации отклонения амплитудно-частотной характеристики преобразователя частотной модуляции в амплитудно-частотную модуляцию от заданной линейной характеристики преобразования частоты в напряжение в рабочей полосе частот. 2 ил.

Изобретение относится к способам демодуляции фазоманипулированных сигналов и может быть использовано в системах обнаружения или самонаведения, а также телеметрии подводных аппаратов. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости демодуляции фазоманипулированных сигналов путем осуществления полной синхронизации модуляционного сигнала с помощью инвариантных последовательностей независимых от случайности фазы принимаемого сигнала. В способе усиливают или ограничивают сигнал, осуществляют дискретизацию его по переходам через нуль, преобразуют в двоичный код и запоминают в оперативной памяти, измеряют несущую и сравнивают с пороговым уровнем. Двоичный сигнал, поступающий из оперативной памяти, подвергают декодированию в виде кода, при этом выделяют максимальный по уровню сигнал, соответствующий декодируемому коду, и вычитают его из поступающего из оперативной памяти сигнала. Полученную несущую подвергают прямому булевому преобразованию над полем Галуа GF(2n), складывают сопряженные преобразования и полученный вектор подвергают последовательно унитарному преобразованию над полем Галуа GF(2n) и преобразованию Уолша. По достижении порогового уровня определяют несущую демодулированную частоту. 3 ил., 3 табл.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при передаче дискретных сигналов по радиоканалам. Достигаемый технический результат - упрощение процесса обработки сигналов. В способе обработки сигналов с фазами 0° и 180° осуществляют фильтрацию входных демодулированных сигналов, оцифрование мгновенных значений входных сигналов, вычисление суммы модулей отсчетов единичного А1 и нулевого А0 сигналов, сравнение с порогом, принятие решения считать сигнал логичекой единицей, если А1 ≥ (А1 + А0)/2, или считать сигнал логическим нулем, если А0 < (А1 + А0)/2. 3 ил.
Наверх