Устройство восстановления несущей частоты

Устройство восстановления несущей частоты

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: радиотехника, когерентные приемники сигналов бинарной фазовой манипуляции. Сущность изобретения устройство содержит два фазовых детектора , два компаратора, два ключа, элемент И, элемент ИЛИ-НЕ, фазовращатель на л:/2, сумматор, узкополосный следящий фильтр, выполненный в виде кольца ФАПИ, и фазорасщепитель сигнала. Повышение помехоустойчивости при воздействии флуктуационных помех достигается за счет стробирования входной смеси ключами, в связи с чем пропускаются лишь те участки входной смеси, на которых сигнал накапливается более эффективно, чем шум. 1 з.п.флы, 10 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК.,!Ю,, 1755388 А1 (я)5 Н 04 1 27/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР юЛШВйй1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕЙИЯ апик-нищая:;

БИБЛИОТЕК„"

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

При уменьшении на входе устройства отношения сигнал/помеха происходит увеличение фазовой ошибки, измеряемой среднеквадратичнйм -угловым отклонением вектора опорного колебания q(t,Ж) от вектора несущего колебания сигнала, 1 (21) 4888584/09 (22) 05.12,90 (46) 15.08.92. Бюл. М 30 (71) Воронежский научно-исследователь- ский институт связи (72) В,В,Прилепский, А.М.Саввинов и

В.И. Федотов (56) Yamamoto H. и др,. Carrier Synohronlzer

for coherent detection of High-Spегоl FourPhase-Shift — Heyed Signals. -1ЕЕЕ Trans on

Comun, v.20, 1972, N 4, р.803-808, fig.1. (54) УСТРОЙСТВО ВОССТАНОВЛЕНИЯ НЕ-"

СУЩЕЙ ЧАСТОТЫ (57) Использование; радиотехника; когерен- . тные приемники сигналов бинарной фазоИзобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в когерентных приемных устройствах бинарных фаэоманипулированных (ФМн) сигналов.

Известны устройства восстановления. несущей частоты, использующие схему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с квадратором. а также схему Костаса и схему

Травина.

Эффективность таких устройств резко падает при уменьшении отношения сигнал/шум, Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство восстановления несущей частоты со снятием манипуляции (ремодуляцией). Данное устройство содержит первый фазовый детектор (ФД), вход которого соединен с входом перемножителя и является входом устройства, выход первого ФД подключен через ограничитель к другому входу пере2 вой манипуляции, Сущность изобретения. устройство содержит два фазовых детектора, два компаратора, два ключа, элемент И, элемент ИЛИ вЂ” НЕ, фазовращатель на л /2, сумматор. узкополосный следящий фильтр, выполненный в виде кольца ФАПИ, и фаэорасщепитель сигнала, Повышение помехоустойчивости и ри, воздействии флуктуационных помех достигается за счет . стробирования входной смеси ключами. в связи с чем пропускаются лишь те участки входной смеси, на которых сигнал накапливается более эффектйвно, чем шум, 1 э.п.флы, 10 ил. множителя, выход которого. соединен с входом схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), выход которой является выходом устройства и, кроме того; присоединен с опорному входу"первого ФД, Схема ФАПЧ содержит последовательно соединенные второй ФД, фильтр петли (ФП), сумматор. перестраиваемый генератор (ПГ), фазовращатель (ФВ), причем вход

ФД является входом, а выход Ф В вЂ” выходом схемы ФАПЧ, выход ПГ, кроме того, присоединен к опорному входу ФД, а на второй вход сумматора подается напряжение поиска сигнала.

1755388

С наибольшей ошибкой принимаются участки входной смеси с.фазами вблизи зна-. чений + л /2, Наличие шума во входной смеси приводит к появлению в выходном сигнале ремодулятора дискретной составляющей шума (ДСШ). Фаза этой составляющей равна фазе опорного колебания, а амплитуда определяется уровнем шума на входе устройства. Суммарная дискретная составляющая на входе узкополосного следящего фильтра (УПСФ) равна векторной сумме дискретной составляющей сигнала (ДСС) и

ДСШ. Оба слагаемых имеют одну частоту и поэтому сужением шумовой полосы схемы

УПСФ ДСШ не может быть ослаблена. При уменьшении отношения сигнал/шум ДСШ возрастает и УПСФ начинает отслеживать равномерно распределенную фазу шума, что определяет предел помехоустойчивости устройств восстановления несущей часто. ты, основанных на ремодуляции входного сигнала, Цель изобретения — повышение помехоустойчивости устройства восстановления несущей частоты при воздействии флуктуационных помех.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее последовательно соединенные ФД и компаратор, причем сигнальный вход ФД является входом устройства, УПСФ, выход которого является выходом устройства, введены второй ФД и второй компаратор, логические элементы

2 И и 2ИЛИ-НЕ, фазовращатель(ФВ) íà л/2 и фазорасщепитель сигнала(ФРС) на+ л/4 и

- л /4, два ключа и сумматор, Сигнальный вход второго ФД соединен с входом первого ФД, выходы обоих ФД через соответствующие ком параторы соединены одйовременно с соответствующими входами логических элементов 2И и 2И-НЕ, выходы которых соединены с управляющими .входами соответствующих ключей, Выходы обоих ключей объединены через сумматор и .подсоединены к входу УПСФ. Сигнальные входы ключей подключены к входу устройства, причем вход второго ключа — через фаэовращатель на л /2. Опорные входы обоих ФД подключены к соответствующим : выходам ФРС: первый ФД вЂ” к выходу

+л./4, второй ФД вЂ” к выходу - л /4, вход

ФРС соединен с выходом УПСФ, Повышение помехоустойчивости предлагаемого устройства достигается за счет стробирования входной смеси x(t) по фаэовому признаку, что позволяет сохранить синхрониэм восстановленной несущей с несущей частотой принимаемого ФМн-сигна10

15 и 3.2.2 объединены через сумматор 5 и под20 соединены к входу УПСФ 4, выход которого

30 дующим образом и 1,2 и ключа 3,1.2. На вход ключа 3,2,2

35 входная смесь поступает после инвертирования фазовращателем 3,2,3. На управляющий вход ФД 1.1 поступает опорное колебание с1с(с,Ф) = q(t,Ô + л /4), полученное путем задержки в ФРС 6 на л /4 коле40 бания q(t,Ô), вырабатываемого УПСФ 4.

55 ла при более низких отношениях сигнал/помеха, На фиг,1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства, где обозначено: 1,1 и 1.2 — ФД, 2.1 и 2,2 — компараторы, 3.1,1 — логический элемент 2И, 3.2,1— логический элемент 2ИЛИ-НЕ, 3,1.2 и 3,2,2 — ключи, 3.2,3 — ФВ на л /2, 4 — УПСФ, 5— сумматор, 6 — ФРС на + л /4 и -л /4.

Предлагаемое устройство содержит ФД

1,1 и 1.2, входы которых объединены и являются входом всего устройства, а выходы через компараторы 2.1 и 2.2 подключены к соответствующим входам логического элемента 2И 3.1,1 и логического элемента

2ИЛИ вЂ” НЕ 3.2.1,, выходы которых подсоединены к управляющим входам ключей 3.1.2 и

3.2.2 соответственно. Выходы ключей 3,1,2 является выходом устройства, Сигнальный вход ключа 3.1.2 соединен с входом фаэовращателя на.л/2 3,2.3 и соединен с входом устройства и входами ФД 1,1 и 1.2. Выход фазовращателя на л /2 3.2.3 соединен с сигнальным входом ключа 3.2.2. Опорные входы ФД 1,1 и 1,2 соединены с соответствующими ФРС 6 выходами, вход которого подсоединен к выходу УПСФ 4.

Предлагаемое устройство работает слеСмесь ФМн-сигнала и помехи х(с) = S(t)+

+ п(с) поступает на сигнальные входы ФД 1,1

Аналогично с второго выхода ФРС 6 на управляющий вход ФД 1.2 поступает опорное колебание ср(с,б) = q(t,Ф вЂ” x /4). На выходах ФД 1.1 и 1.2 напряжения о(с) и Z(t) положительны или отрицательны в зависимости от значения угла ЛФ отклонения вектора x(t) (фиг.2). Компараторы 2.1 и 2.2 квантуют соответственно напряжения ei(t) и ер(с) на два уровня ("0" или "1") и подают на логические элементы 3,1.1и3,,2.1. Под .. воздействием сигналов 14с (с) и %д (t) с выходов компараторов 2.1 и 2.2 элементы

3.1.1 и 3.2,1 вырабатывают логические сигналы Чс(с) и Чф). Ключ 3.1,2 под воздействием сигнала Ч1 = "1" пропускает входную смесь x(t) на УПСФ только при - л /4 Ф (+ л /4. Ключ 3.2.2 под воздействием сигнала

Чр = "1" пропускает инвертированную входную смесь y(t) = х(с) только при 3 л/4 Ф6

1755388

5л/4. Прил /4< Л Ф< 3 л /43л /4 <

ЛФ< 7 л л /4 напряжения Vi(t) = Vz(t) = О, (л/4, 3 л/4), (5л/4, 7л/4) иДСС равна входной смеси в интервалах ключи 3,1.2 и 3.2,2 размыкаются и подача нулю, Поэто УПСФ сигнала на УПСФ и ек а прекращается. Сигнал на ДСШ, фаза которой меняется случайным об() д Р СС Разом f1op деиствием.шумовых, флуктуаций выходе сумматора 5 W(t) соде жит ДСС 5 а ле ания q(t, ) начинает, отслеживает фазу этой составляю- вектор опорного кол б (,Ф) щей и выдает опорное колебание q(t.Ô), яв- смещаться or поло /2. 06 жения л . ласти строщ я оценкои несущего колебания: бирования также смещаются, ДСС в входного ФМн-сигнала S(t). смещаются, Д возрастает, УПСФ начинает отслеживать сумму, пока вектор q(t,Ô) не перемеомеха n(t) в отсутствие сигнала имеет 10 ДСС и ДСШ пок,Ô) равномерное. распределение фазы (фиг,З) стится в област 0 (= 1 ласть (или л при "обратной работе" ), где значение ДСС максимальное. л . . Восстановление несущей частоты в схепринимает в пределах — л «р «л про- ме с ремодуляцие ф емодуляцией с фаэовым стробировасть ю (фи г.4) и извольные положения с равной вероятно- 15 нием основано на но на оценках фаз единичных нест оби в стью (фиг. ), поэтому входной элементов ФМн-сигнала. П равильное рас диничных элементов увеличи р рованныи(чистый ) шум несодер- познавание единичных жит дискретной составляющей (каждому вает выходное отн значению n(p)) соответствует равновероят- уменьшает дисперсию фазы и вероятность ное значение п(р+ л ) = -n(p) и суммарное 20 ее перескоков, Ошибочные решения ведут к ния N авно н лю, значение проекций на ось опорного колеба- уменьшению отношения я сигнал/шум за счет взаимной компенсации правильно и

Принцип действия предлагаемого уст- непРавильно принятых элементов сигнала. ройства (как и устройства прототипа) осно- Та к как области значений фаз ван на формировании ремодулятором из 25 (л/4,3л/4)и (5л/4,7л/4) соответстввходной смеси дискретной составляющей, уют решениям с повышенной вероятностью которую отслеживает УПСФ, Ремодулятор ошибки, они блокируются (фиг.2). осуществляет преобразование интервала Системы, использующие бланкирова+ л значений фаз входной смеси x(t) в вели- ние входной смеси для повышения.помехочину. меньшую+л, что приводит к появле- 30 устойчивости, известны. Так, например, в нию в его выходном сигнале W(t) суммарной схеме слежения за фазой прерывистого сиг-. дискретной составляющей от сигнала и шу- нала при пропадании сигнала исчезает поН лезное напряжение на выходе а фиг.5 показана векторная диаграм- дискриминатора, обусловленное преобрама, поясняющая образование ДСШ N(p) 35 зованием сигнала, но сохраняется флуктуи pg выделении из шума составляющих с . Чионное напряжение. Для того, чтобы я луктуафазами, ограниченными интервалом исключить его влияние на формирование

-ф «р «ф, где I ф! <л . оценки фазы, производится размыкание

В предлагаемом устройстве стробиру- следящей системы, Так как компенсация ются (пропускаются) участки входной сме- 40 элементов сигнала в предлагаемом устройси, на которых сигнал накапливается более стве эквивалентна его пропаданию, то бланэффективно, чем шум; а остальные участки ки рова ние соответствующих участков блокируются (стираются). входной смеси также дает положительный

Уменьшение вероятности срыва синх- эффе ронизации в ремодуляторе со стробирова- 45 Доказательством достижениЯ поставнием по . фазе обусловлено ленной цепи может быть оценка эффективпредотвращениемскачкауправляющегона- ности предлагаемого устройства по пряжения в УПСФ при больших выбросах сРавнению с пРототипом, пРоведеннаЯ длЯ квадратурной компонентышума.3асчетдо- с уча малого отклонения фазы входной статочно большой постоянной времени (уз- 50 смеси от фазы опорного колебания, Для этокой полосы пропуска ния) сох раняется го получим выражение для функции распресинхронизм даже при бланкировании зна- деления фазы смеси бинарного чительной части смеси. ФМн-сигнала и узкополосного гауссового

Рассмотрим вопрос вхождения предла- шума Рсм(p ) при малых отношениях сиггаемого устройства в режим слежения, 55 нал/шум:

Пусть, в начальный момент фаза опорного колебания находится за пределами ин- р 1 Р тервала f-л/4, л/4 ) и для определенности равна л /2. Тогда стробируются участки

1755388

Откуда

50

Слагаемое N(t)(A ) = — sin ф не зависит от

2.

Й

Л сигнала и является ДСШ. Слагаемое $ (ф м 55 — (cos ф sin 2 ф+ sin ф) является

3 ло

ДСС, Исследование на экстремум выражения для $(ф ) показывает, что ДСС имеет максимум при ф=л/4 (фиг.10):. где Р1(л ) — функция распределения фазы смеси синусоидального сигнала с нулевой начальной фазой и гауссового шума; . Р)(р+л )-функция распределения фазы смеси синусоидального сигнала с начальной фазой л и гауссового шума.

Функция распределения фазы смеси синусоидального сигнала с начальной фазой р, и гауссового шума при отношениях сигнал/шум «1 определяется выражением;

Р см (Д>) 2 +-2 2Г2 СОВ (VÐ 4)о) +

1 а

+ cos 2 (р — p/t));

4 rcо2 — Z

Таким образом, для смеси бинарного

ФМн-сигнала и гауссова шума при отношениях сигнал/шум < < 1 функция распределения фазы определяется выражением

cM (p) — 2 + соэp

1 а

4 л о2 — д «р <д, На фиг,б и 7 показан график функции

PcM(p) в декартовых координатах, а также в полярных соответственно, Предлагаемое устройство осуществляет стробирование входной смеси x(t) no фазе в пределах — л/4 с р(л/4 и

3 л/4 < p <5 ??>

j 3 л/4, 5 л/4 ) является оптимальным.

Для этого предположим, что стробирование производится в произвольн о м интервале 2 ф — )/) < p < )d(p и

{л — ф) < ф < (л+ ф ) . В предлагаемом устройстве для этого необходимо установить задержку в ФРС 6 на V и — ))/! = (2 7г — ф ) .

Дискретная составляющая от части смеси, фаза которой заключена в интервале — tP, ф (фиг,7) А (ф), пропорциональна

Ф .величине J P «(p) cos p d p

-Ф

Действительно, амплитуда дискретно . составляющей равна средней величине су марной проекции вектора смеси в заданно фазОвом интервале на ось опорного колеб ния. Угловая плотность распределени средних значений модуля вектора W(t) onp деляется функцией распределения фазы ф (p) входной смеси

Рср (p) =p cð Р(у), где рср не зависит от р.

Следовательно, средняя величина проекции А (ф) вектора W(t) на ось q(t,Ф) равна

Ю V (Ap) J (zp(5) cQ5 cpdcp (р J P(cp)cc5 )pd cp .

15 A ((p) = — A((p) =p (P(cp)co5cpdcp

g cI) или

М

A (ф)- 3 Р (p) cos p d р .

Ф

Аналогично дискретная составляющая части в интервале (л" — ф. л +ф) равна к+ф

25 А (ф) -У Р см (P) cos P d y л-ф

При этом

A (Ф) = -А"(М)

На фиг.8 и 9 показаны векторные диаг3р раммы, поясняющие образование дискретных составляющих А (ф) и А"(ф) на выходе ремодулятора за счет стробирования входной смеси x(t) в интервале+ ф (относительно

О и л соответственно) и составляющей АХ

35))ф ) выходной смеси W(t). получаемой путемсложения А (ф ) и инвертированной А"(ф), Суммарная дискретная составляющая для обоих фазовых интервалов стробирова40 ния с учетом инверсии входной смеси в фазовращателе 3.2.3 равна

45 АЦ.Р4 ф.4)(— „ 4ц. cos

М

О й, юР 1))() (с06() sih 2(i)k 5)t) (1)), . г

1755388

10.,/2

max S (ф ) = 5 (л /4 )— ф эло2

ДСШ при ф=л/4 равна и (л/4) =

Для устройства-прототипа ф =ж/2, а

ДСС и ДСШ соответственно равны, S (л/2 )—

3ло2

И (л/2) = — ° в 2

Таким образом, для предлагаемого устройства по сравнению с прототипом выигрыш в отношении сигнал/шум составляет

V2 эа счет увеличения ДСС и V2 — эа счет уменьшения ДСШ (которая не может быть ослаблена сужением шумовой полосы . УПСФ 4, так как частоты ДСС и ДСШ одинаковы), Формула изобретения

1. Устройство восстановления несущей частоты, содержащее последовательно соединенные узкополосный следящий фильтр, фазорасщепитель сигнала на + л /4 и - zc/

/4, первый фазовый детектор и первый компаратор, соединенные последовательно второй фазовый детектор и второй компаратор, соединенные последовательно, первый перемножитель и сумматор, а также соединенные последовательно фаэовращатель на л /2 и второй перемножитель, причем вторай вход сумматора соединен с выходом

5 второго перемножителя, а выход сумматора — с входом узкополосного следящего фильтра, второй вход второго фазового детектора подключен к второму выходу фазорасщепителя сигнала на + л /4 и - л /4, а вход

10 первого перемножителя, фазовращателя на л/2 и первые входы первого и второго фазовых детекторов являются входом устрой-. ства, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения помехоустойчивости при воз15 действии флуктуационных помех, в него введены элемент И и элемент ИЛИ вЂ” НЕ, а первый и второй перемножители выполнены в виде ключей, причем выход элемента И соединен с управляющим входом первого

20 ключа, выход элемента ИЛИ вЂ” НŠ— с управляющим входом второго ключа, первые вхо- ды элементов И и ИЛИ вЂ” НЕ соединены с выходом первого компаратора, а их вторые входы — с выходом второго комйаратора, 25 2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что узкополосный следящий фильтр выполнен в виде блока фазовой автоподстройки частоты, состоящего из соединенных в кольцо фазового детектора, фильтра петли

30 и подстраиваемого генератора, при этом второй вход фазового детектора является входом устройства, а выход подстраиваемого генератора — его выходом, 1755388

l е.

It u ъЬ С <с>с

9 9ч

)4 с л

Ф

1755388

1755388

1755388 1755388 бЬГ 70

Редактор B.ÊoçëîB

Заказ 2899 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственно о комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 (, ) в(Г) Составитель А.Саввинов

Техред М,Моргентал Корректор И.Муска