патент
№ RU 2649782
МПК H04B1/10

ЦИФРОВОЙ НЕКОГЕРЕНТНЫЙ ДЕМОДУЛЯТОР ЧЕТЫРЕХПОЗИЦИОННЫХ СИГНАЛОВ С ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ФАЗОВОЙ МАНИПУЛЯЦИЕЙ

Авторы:
Чернояров Олег Вячеславович Глушков Алексей Николаевич Литвиненко Владимир Петрович
Все (15)
Номер заявки
2017121027
Дата подачи заявки
15.06.2017
Опубликовано
04.04.2018
Страна
RU
Дата приоритета
02.03.2024
Номер приоритета
Страна приоритета
Как управлять
интеллектуальной собственностью
Иллюстрации 
3
Реферат

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в устройствах приема цифровых информационных сигналов для цифровой некогерентной демодуляции четырехпозиционных сигналов с относительной фазовой манипуляцией (ОФМ4 или QPSK). Технический результат - обеспечение высокоскоростной цифровой демодуляции сигналов с четырехпозиционной относительной фазовой манипуляцией. Цифровой некогерентный демодулятор четырехпозиционных сигналов с относительной фазовой манипуляцией содержит аналого-цифровой преобразователь, регистр сдвига многоразрядных кодов на четыре отсчета, первый и второй n-каскадные каналы квадратурной обработки сигналов, генератор тактовых импульсов, первое и второе регистровые запоминающие устройства, первый, второй, третий и четвертый цифровые умножители, первое и второе суммирующее устройство, первое и второе вычитающее устройство, первое и второе решающее устройство и декодер. 5 ил.

Формула изобретения

Цифровой некогерентный демодулятор четырехпозиционных сигналов с относительной фазовой манипуляцией, содержащий аналого-цифровой преобразователь (АЦП), регистр сдвига многоразрядных кодов на четыре отсчета, первый и второй n-каскадные каналы квадратурной обработки (ККО) сигналов и генератор тактовых импульсов (ГТИ), отличающийся тем, что он дополнительно содержит первое и второе регистровые запоминающие устройства (РЗУ), первый, второй, третий и четвертый цифровые умножители (ЦУ), первое и второе суммирующее устройство (СУ), первое и второе вычитающее устройство (ВУ), первое и второе решающее устройство (РУ) и декодер (ДК), выход первого ККО соединен с входом первого РЗУ и с первыми входами первого и третьего ЦУ, второй вход первого ЦУ соединен с выходом первого РЗУ, а второй вход третьего ЦУ - с выходом второго РЗУ, выход второго ККО соединен с входом первого РЗУ и с первыми входами второго и четвертого ЦУ, второй вход второго ЦУ соединен с выходом первого РЗУ, а второй вход четвертого ЦУ - с выходом второго РЗУ, выход первого ЦУ соединен с первым входом первого СУ, второй вход которого соединен с выходом четвертого ЦУ, выход второго ЦУ соединен с первым входом первого ВУ, второй вход которого соединен с выходом третьего ЦУ, выход первого СУ подключен к первым входам второго ВУ и второго СУ, а выход первого ВУ подключен к вторым входам второго ВУ и второго СУ, выход второго ВУ соединен с входом первого РУ, а выход второго СУ - с входом второго РУ, выходы первого и второго РУ соединены с первым и вторым входами декодера ДК для формирования двух двоичных разрядов выходного сигнала демодулятора.

Описание

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в устройствах приема цифровых информационных сигналов для цифровой некогерентной демодуляции четырехпозиционных сигналов с относительной фазовой манипуляцией (ОФМ4 или QPSK).

Известно устройство некогерентной демодуляции многопозиционных сигналов (см. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. - М.: Издательский дом «Вильяме», 2003, 1104 с.), состоящее из корреляторов и решающего блока.

Близким к предлагаемому устройству является демодулятор четырехпозиционных сигналов с относительной фазовой модуляцией (см. Окунев Ю.Б. Цифровая передача информации фазомодулированными сигналами. - М.: Радио и связь, 1991, 296 с.). Он состоит из двух корреляторов, двух блоков задержки, решающего блока, генератора опорного колебания, фазовращателя и генератора тактовых импульсов. Эти устройства осуществляют квадратурную корреляционную обработку входного сигнала с последующим сравнением фаз соседних информационных элементов. К недостаткам известных устройств следует отнести: сложность реализации высокоскоростных корреляторов, особенно в цифровой форме; необходимость выполнения большого числа арифметических операций на каждый поступивший отсчет сигнала, что требует использования высокоскоростных вычислителей.

Наиболее близким по технической сущности и внутренней структуре к предлагаемому устройству является цифровой демодулятор сигналов с относительной фазовой манипуляцией (Патент РФ №2505922 от 27.01.2014.

Цифровой демодулятор сигналов с относительной фазовой манипуляцией. Авторы Глушков А.Н., Литвиненко В.П.).

Его недостатком является отсутствие возможности демодуляции четырехпозиционных сигналов с относительной фазовой манипуляцией.

Технической задачей предлагаемого технического решения является обеспечение высокоскоростной цифровой демодуляции сигналов с четырехпозиционной относительной фазовой манипуляцией.

Технический результат, используемый при решении поставленной задачи, заключается в минимизации выполняемых арифметических операций при обеспечении помехоустойчивости, близкой к потенциальной, и достигается тем, что цифровой некогерентный демодулятор четырехпозиционных сигналов с относительной фазовой манипуляцией, содержащий аналого-цифровой преобразователь (АЦП), регистр сдвига многоразрядных кодов на четыре отсчета, первый и второй n-каскадные каналы квадратурной обработки (ККО) сигналов и генератор тактовых импульсов (ГТИ), дополнительно содержит первое и второе регистровые запоминающие устройства (РЗУ), первый, второй, третий и четвертый цифровые умножители (ЦУ), первое и второе суммирующее устройство (СУ), первое и второе вычитающее устройство (ВУ), первое и второе решающее устройство (РУ) и декодер ДК, выход первого ККО соединен с входом первого РЗУ и с первыми входами первого и третьего ЦУ, второй вход первого ЦУ соединен с выходом первого РЗУ, а второй вход третьего ЦУ - с выходом второго РЗУ, выход второго ККО соединен с входом первого РЗУ и с первыми входами второго и четвертого ЦУ, второй вход второго ЦУ соединен с выходом первого РЗУ, а второй вход четвертого ЦУ - с выходом второго РЗУ, выход первого ЦУ соединен с первым входом первого СУ, второй вход которого соединен с выходом четвертого ЦУ, выход второго ЦУ соединен с первым входом первого ВУ, второй вход которого соединен с выходом третьего ЦУ, выход первого СУ подключен к первым входам второго ВУ и второго СУ, а выход первого ВУ подключен к вторым входам второго ВУ и второго СУ, выход второго ВУ соединен с входом первого РУ, а выход второго СУ - с входом второго РУ, на стробирующие входы первого и второго РУ подается сигнал символьной синхронизации, выходы первого и второго РУ соединены с первым и вторым входами декодера ДК, на выходе которого формируются два двоичных разряда выходного сигнала демодулятора.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - процесс квантования входного сигнала (по 4 отсчета на период), на фиг. 3 и фиг. 4 - результаты моделирования работы демодулятора при отсутствии и наличии шума, соответственно, а на фиг. 5 сплошной линией показана зависимость вероятности ошибки демодуляции сигнала с четырехпозиционной ОФМ от отношения сигнал/шум, точками отмечены результаты статистического имитационного моделирования, пунктиром показана аналогичная зависимость для двоичной ОФМ.

Устройство содержит АЦП 1(фиг. 1), на вход которого поступает принимаемый сигнал 2 с выхода усилителя промежуточной частоты приемника, а на управляющий вход - тактовые импульсы 3. Выход АЦП 1 соединен с входом регистра 4 сдвига многоразрядных кодов на четыре отсчета, четные выходы которого соединены с соответствующими входами вычитателя 5 первого ККО 6, а нечетные выходы - с соответствующими входами вычитателя 7 второго ККО 8. Каждый ККО помимо вычитателя содержит n каскадно соединенных блоков накопления отсчетов (БНО). Количество БНО n зависит от числа N периодов сигнала в информационном символе и определяется двоичным логарифмом N (n=log2N). Такое построение устройства обеспечивает минимальное количество БНО, при этом число обрабатываемых периодов сигнала равно N=2n, а длительность информационного символа NT0, где Т0 - период несущей частоты f0 сигнала.

Первый ККО 6 содержит последовательно соединенные БНО 9-1, …, 9-n, а второй ККО 8 - последовательно соединенные БНО 10-1, …, 10-n. Каждый из БНО состоит из регистра сдвига многоразрядных кодов и сумматора.

Блоки 9-1, …, 9-n накопления отсчетов содержат регистры 11-1, …, 11-n сдвига многоразрядных кодов и сумматоры 12-1, …, 12-n соответственно, а БНО 10-1, …, 10-n - соответственно регистры 13-1, …, 13-n сдвига многоразрядных кодов и сумматоры 14-1, …, 14-n. В каждом блоке 9 (10) накопления отсчетов первый вход регистра 11 (13) сдвига является входом блока 9 (10) накопления отсчетов. Второй вход сумматора 12 (14) соединен с выходом регистра 11 (13) сдвига. Выход сумматора 12 (14) является выходом блока 9 (10) накопления отсчетов, а тактовый вход регистра 11 (13) сдвига является управляющим входом блока 9(10) накопления отсчетов.

Выход вычитателя 5 соединен с входом блока 9-1 накопления отсчетов ККО 6, а выход блока 9-п накопления отсчетов ККО 6 - с входом первого РЗУ 15 и с первыми входами первого ЦУ 17 и третьего ЦУ 20, второй вход первого ЦУ 17 соединен с выходом первого РЗУ 15, а второй вход третьего ЦУ 20 - с выходом второго РЗУ 16.

Выход вычитателя 7 соединен с входом блока 10-1 накопления отсчетов ККО 8, а выход блока 10-n накопления отсчетов ККО 8 - с входом второго РЗУ 16 и с первыми входами второго ЦУ 19 и четвертого ЦУ 18, второй вход четвертого ЦУ 18 соединен с выходом второго РЗУ 16, а второй вход второго ЦУ 19 - с выходом первого РЗУ 15.

Выход первого ЦУ 17 соединен с первым входом первого СУ 21, а выход четвертого ЦУ 18 подключен к второму входу первого СУ 21. Выход второго ЦУ 19 соединен с первым входом первого ВУ 22, а выход третьего ЦУ 20 подключен к второму входу первого ВУ 22. Выход первого СУ 21 соединен с первым входом второго ВУ 23 и с первым входом второго СУ 24. Выход первого ВУ 22 соединен с вторым входом второго ВУ 23 и с вторым входом второго СУ 24. Выход второго ВУ 23 соединен с входом первого РУ 25, а выход второго СУ 24 - с входом второго РУ 26, на стробирующие входы первого РУ 25 и второго РУ 26 подается сигнал символьной синхронизации 27. Выходы первого РУ 25 и второго РУ 26 соединены с первым и вторым входами декодера ДК 28, формирующего выходной двухразрядный двоичный код выходного сигнала демодулятора 29. Тактовые импульсы от генератора 30 подаются на управляющие входы регистра 4 сдвига многоразрядных кодов, БНО 9-1, …, 9-n, БНО 10-1, …, 10-n, РЗУ 15 и РЗУ 16.

Устройство работает следующим образом.

Входной сигнал с четырехпозиционной ОФМ на входе 2 демодулятора вида s(t)=Ssin[2πf0t+a(t)⋅π/2+ϕ], где S - амплитуда, f0 - несущая частота, ϕ - начальная фаза, a(t) - модулирующий фазу сигнал со значениями 0, 1, 2 или 3 (двоичные коды 00, 01, 10, 11) и длительностью информационного элемента ТЭ=NT0, Т0=1/f0, N=2n, n - целое число, поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 1, который формирует по четыре отсчета входного сигнала на период повторения Т0 в соответствии с тактовыми импульсами 3 с частотой 4f0 от генератора 30. Процесс квантования для i-ro периода показан на фиг. 2. Результаты работы устройства не зависят от величины начальной фазы ϕ0 сигнала.

На вход вычитателя 5 сначала поступают отсчеты s2i и s4i, а на его выходе формируется разность s2i-s4i=Ssin(ϕ)-(-Ssin(ϕ))=2Ssin(ϕ), которая запоминается в многоразрядном регистре сдвига 11-1. В следующем периоде сигнала на выходе вычитателя 5 получим величину s2(i+1)-s4(i+1)=2Ssin(ϕ) (фиг. 2), а на выходе сумматора 12-1 - (s2i-s4i+s2(i+1)-s4(i+1))=4Ssin(ϕ). После поступления N периодов входного сигнала при отсутствии помех на выходе сумматора 12-n ККО 6 получим результат

y1=s2i-s4i+s2(i+1)-s4(i+1)+…+s2(i+N-1)-s4(i+N-1)=2NSsin(ϕ) обработки 2N отсчетов принятого информационного элемента длительностью ТЭ. Полученные значения y1 запоминаются в РЗУ 15 емкостью N ячеек памяти. Аналогично на вход вычитателя 7 сначала поступают отсчеты s1i, и s3i, на выходе формируется разность s1i-s3i=Scos(ϕ)-(-Scos(ϕ))=2Scos(ϕ), которая запоминается в регистре 13-1. В результате после поступления N периодов входного сигнала на выходе сумматора 14-n ККО 8 получим результат y2=s1i-s3i+s1(i+1)-s3(i+1)+…+s1(i+N-1)-s3(i+N-1)=2NScos(ϕ). Значения y2 запоминаются в РЗУ 16 емкостью N ячеек.

При обработке следующего информационного символа после получения N периодов Т0 на выходах первого ККО 6 и второго ККО 8 соответственно получим y3=2NSsin((ϕ+а⋅π/2) и y4=2NScos(ϕ+а⋅π/2).

В первом ЦУ 17, втором ЦУ 19, третьем ЦУ 20 и четвертом ЦУ 18 соответственно вычисляются произведения

Сигнал на выходе первого суммирующего устройства СУ 21 равен

а на выходе первого вычитающего устройства ВУ 22 соответственно

Тогда на выходе второго СУ 24 в момент окончания принятого символа будет получено значение

а на выходе второго ВУ 23 - соответственно

Как видно, полученные величины w1, w2 не зависят от начальной фазы принимаемого сигнала, а определяются разностью фаз соседних информационных элементов и принимают значения ±(2NS)2 при всех значениях информационных символов а, равных 0, 1, 2 или 3. Сигналы w1 и w2 поступают соответственно в первое РУ 25 и второе РУ 26, в которых сравниваются с нулевым уровнем и результирующие двоичные сигналы подаются в декодер ДК 28, формирующий принятый информационный сигнал sИ 29, равный 00, 01, 10 или 11, в соответствии с правилом

В предлагаемом демодуляторе обеспечивается минимум арифметических операций на период сигнала и, следовательно, высокая скорость цифровой обработки сигнала. Технически устройство наиболее целесообразно реализовать на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).

На фиг. 3 показаны нормированные результаты w1/(2NS)2, w2/(2NS)2 статистического имитационного моделирования работы демодулятора при обработке сигнала с четырехпозиционной ОФМ для N=256 в зависимости от нормированного времени t/TЭ=i/N при показанном пунктиром модулирующем сигнале a(t)/3. Целочисленные значения t/TЭ определяют границы информационных элементов (моменты тактовой синхронизации). Интервал t/TЭ от 0 до 2 соответствует переходному процессу заполнения регистров сдвига многоразрядных кодов. На фиг. 4 приведены аналогичные зависимости при наличии шумовой помехи с отношением сигнал/шум h=12 дБ.

Расчеты показывают, что в канале с независимыми отсчетами нормального шума с нулевым средним значением и дисперсией σ2 вероятность ошибки для одного двоичного разряда sИ1 или sИ0 определяется выражением

где wχ(x1) и wχ(x2) - плотности вероятностей нецентрального χ2 - распределения с двумя степенями свободы и одинаковыми дисперсиями σ2, равные

Δ1 и Δ2 - параметры нецентральности, равные [3]

I0(x) - модифицированная функция Бесселя первого рода нулевого порядка.

В результате получим

Этот интеграл вычислен в [3], где показано, что

где Q(α,β) - функция Маркума [3]:

а отношение сигнал/шум равно .

С учетом независимости ошибок в двоичных разрядах вероятность ошибочной демодуляции четырехпозиционного сигнала с ОФМ равна

Зависимость рОШ4 от n показана на фиг. 5 сплошной линией. Там же пунктиром показана зависимость от отношения сигнал/шум вероятности ошибки демодуляции сигнала с двоичной ОФМ [3]

соответствующая потенциальной помехоустойчивости некогерентной обработки сигналов с активной паузой [4].

Точками на фиг. 5 показаны результаты статистического имитационного моделирования предлагаемого демодулятора сигналов с четырехпозиционной ОФМ. Как видно, расчет помехоустойчивости хорошо согласуется с результатами моделирования.

Литература

1. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003, 1104 с.

2. Окунев Ю.Б. Цифровая передача информации фазомодулированными сигналами. - М.: Радио и связь, 1991. - 296 с.

3. Патент РФ №2505922 от 27.01.2014. Цифровой демодулятор сигналов с относительной фазовой манипуляцией. Авторы Глушков А.Н., Литвиненко В.П.

4. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. - М.: «Сов. Радио», 1970.

Как компенсировать расходы
на инновационную разработку
Похожие патенты