Радиоприемное устройство с автокорреляционным разделением посылок частотно-манипулированного сигнала с непрерывной фазой

Радиоприемное устройство с автокорреляционным разделением посылок частотно-манипулированного сигнала с непрерывной фазой

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технике радиосвязи.

Известны профессиональные радиоприемные устройства [1], [2], в которых разделение посылок частотно-манипулированного сигнала осуществляется путем прямого сравнения частоты принимаемого сигнала с эталонной вспомогательной частотой двухканального гетеродина с квадратурными выходами, подключенными к информационным входам 2-х Д-триггеров, на входы синхронизации которых поступает принимаемый частотно-манипулированный сигнал, при этом выход первого Д-триггера подключен к информационному входу третьего Д-триггера, выход второго Д-триггера подключен к входу синхронизации третьего Д-триггера, а эталонная частота равна полусумме несущих частот символов принимаемого частотно-манипулированного сигнала. В профессиональных радиостанциях коротковолнового диапазона для передачи и приема информации с автоматической телеграфной аппаратуры используются частотно-манипулированные сигналы с непрерывной фазой со сдвигом частот 200 Гц или 500 Гц [3]. При демодуляции частотно-манипулированных сигналов с таким сдвигом частот в известных устройствах необходимо обеспечивать высокую стабильность принимаемых частот и эталонной частоты.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению является профессиональное радиоприемное устройство с автокорреляционным демодулятором частотно-манипулированного сигнала с непрерывной фазой, содержащее входной усилитель, первый преобразователь частоты, твердотельный фильтр основной селекции, усилитель промежуточной частоты, второй преобразователь частоты, фильтр нижних частот, усилитель-ограничитель, компаратор и автокорреляционный демодулятор, включающий в себя фазовый детектор, интегратор цифрового сигнала в виде двоичного счетчика и цифровую линию задержки, выполненную в виде N-разрядного регистра сдвига и тактового генератора и обеспечивающую время задержки, равное половине периода частоты сдвига частотно-манипулированного сигнала [3]. Однако известное устройство является сложным.

Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение устройства.

Технический результат достигается тем, что в радиоприемное устройство, содержащее последовательно соединенные входной усилитель, первый преобразователь частоты, твердотельный фильтр основной селекции, усилитель промежуточной частоты, второй преобразователь частоты, фильтр нижних частот, усилитель-ограничитель и компаратор, выход которого подключен ко входу цифровой линии задержки, выполненной в виде N-разрядного регистра сдвига и тактового генератора, введен дополнительно Д-триггер. Информационный вход Д-триггера присоединен к точке соединения выхода компаратора и входа линии задержки, вход синхронизации Д-триггера соединен с выходом линии задержки, а выход Д-триггера является выходом устройства, причем количество разрядов регистра сдвига должно обеспечивать время задержки, связанное с несущими частотами символов соотношением:

t з = ( n з + F f 2 ) ⋅ 1 / f 1   ( 1 )

где t_з - время задержки, мс;

f₁ - частота символа «1» на входе Д-триггера, кГц;

f₂ - частота символа «0» на входе Д-триггера, кГц;

F=(f₁-f₂) - сдвиг частот символов, кГц;

n_з=1, 2, 3… - число целых периодов частоты f₁ символа «1», укладывающихся во времени задержки.

Новым качеством, необнаруженным в патентной и научно-технической литературе, является то, что в радиоприемном устройстве с автокорреляционным разделением посылок частотно-манипулированного сигнала с непрерывной фазой принимаемое сообщение возникает на выходе Д-триггера, на информационный вход которого поступает с выхода компаратора принимаемый частотно-манипулированный сигнал, на синхронизационный вход поступает частотно-манипулированный сигнал с минимальной задержкой, равной периоду низшей частоты частотно-манипулированного сигнала на входе Д-триггера.

На фиг.1 представлена структурная схема радиоприемного устройства с автокорреляционным разделением посылок частотно-манипулированного сигнала с непрерывной фазой. Радиоприемное устройство содержит входной усилитель 1, первый преобразователь частоты 2, твердотельный фильтр основной селекции 3, усилитель промежуточной частоты 4, второй преобразователь частоты 5, фильтр нижних частот 6, усилитель-ограничитель 7, компаратор 8, N-разрядный регистр сдвига 9, тактовый генератор 10 и Д-триггер 11.

На фиг.2, 3, 4, 5, 6, 7 представлены результаты моделирования работы радиоприемного устройства. На фиг.2, 3, 4, 5, 6, 7 цифрами обозначено: 12 - последовательность посылок символов «1»; 13 - последовательность посылок символов «0»; 14 - принимаемый частотно-манипулированный сигнал с непрерывной фазой на выходе компаратора 8; 15 - частотно-манипулированный сигнал с непрерывной фазой на выходе регистра сдвига 9; 16 - модулирующий сигнал; 17 - демодулированный сигнал на выходе Д-триггера 11.

На фиг.8 в таблице приведены результаты расчетов по формуле (1) времен задержки и необходимого количества разрядов регистра при сдвигах частот F=500 Гц, F=200 Гц для числа периодов n_з=1, 2, 3.

Радиоприемное устройство работает следующим образом.

Частотно-манипулированный сигнал с антенны поступает на входной усилитель 1, с помощью преобразователя частоты 2 переносится на промежуточную частоту, фильтруется от помех твердотельным фильтром 3 и через усилитель промежуточной частоты 4 поступает на вход второго преобразователя частоты 5. После второго преобразования частотно-манипулированный сигнал на низкой частоте выделяется фильтром нижних частот 6, усиливается усилителем-ограничителем 7 и компаратором 8 преобразуется в цифровой двухуровневый сигнал, необходимый для работы цифровых микросхем N-разрядного регистра сдвига 9 и Д-триггера 11.

С выхода компаратора 8 частотно-манипулированный сигнал поступает на информационный вход Д-триггера 11 и на вход N-разрядного регистра сдвига 9. С выхода N-разрядного регистра сдвига 9 задержанный частотно-манипулированный сигнал поступает на вход синхронизации Д-триггера 11. Величина задержки выбирается таким образом, чтобы при передаче символа «1» положительный фронт начального импульса задержанной посылки символа «1» на входе синхронизации Д-триггера находился в максимуме импульса посылки символа «1» на информационном входе Д-триггера, тогда на выходе Д-триггера поддерживается максимальный уровень, соответствующий символу «1». Такое состояние на выходе Д-триггера поддерживается до окончания текущей посылки символа «1», поскольку на обоих входах Д-триггера присутствуют импульсы одной частоты и соотношение фаз сохраняется. В момент смены символов без разрыва фазы на информационном входе Д-триггера появляется посылка импульсов с частотой символа «0» и положительный фронт импульсов задержанной посылки символа «1» на входе синхронизации вследствие разности частот символов начинает с каждым периодом перемещаться по сигналу на информационном входе. При этом на выходе Д-триггера максимальный уровень символа «1» сохраняется до того времени, пока очередной положительный фронт импульса на входе синхронизации не совпадет с минимумом импульса посылки символа «0» на информационном входе. В этот момент минимум импульса с информационного входа появляется на выходе Д-триггера, то есть с некоторой задержкой на выходе радиоприемного устройства появляется минимальный уровень, соответствующий символу «0». Величина задержки появления на выходе радиоприемного устройства символа «0» зависит от того, какую фазу будет иметь положительный фронт импульса задержанной посылки на входе синхронизации на момент смены символов. Минимальная величина этой задержки будет в том случае, если положительный фронт задержанного импульса не выйдет за пределы первого периода частоты символа «0» после его появления на информационном входе Д-триггера. Поскольку частота символа «0» меньше частоты символа «1», то условие совпадения фронтов импульсов на входах Д-триггера будет выражаться равенством:

T 2 = ( 1 + X ) ⋅ T 1 ,   ( 2 )

где

T₁=¹/_f1=¹/_(f2+F) - период частоты символа «1»на входе Д-триггера;

T₂=¹/_f2=¹/_(f1-F) - период частоты символа «0» на входе Д-триггера;

Х - часть периода частоты f₁ символа «1», характеризующая фазу положительного фронта начального импульса задержанной посылки символа «1» на входе синхронизации Д-триггера относительно положительного фронта очередного импульса на информационном входе Д-триггера.

С учетом периодичности функций общая формула расчета времени задержки будет выглядеть так:

t з = ( n з + X ) ⋅ T 1 ,   ( 3 )

где обозначения величин соответствуют приведенным в (1) и (2).

Подставляя в (3) значения величин из (2) и преобразуя, получим формулу (1) для расчета времени задержки в зависимости от параметров частотно-манипулированного сигнала. Количество разрядов регистра сдвига, реализующее рассчитанное по формуле (1) время задержки, зависит от тактовой частоты и рассчитывается по формуле:

N = t з ⋅ f т − 1   ( 4 )

t_з- время задержки, мс;

f_т - частота тактового генератора, кГц.

Уменьшение задержки на 1 разряд необходимо, чтобы уйти от совпадения фронтов на входах Д-триггера.

Возникшее в момент смены символов новое соотношение фаз на обоих входах, удерживающее на выходе Д-триггера значение символа «0», поддерживается появлением в задержанном сигнале на входе синхронизации Д-триггера посылки импульсов частоты символа «0». После следующей смены символа «0» на «1» на информационном входе Д-триггера появляется посылка импульсов с частотой символа «1» и положительный фронт импульсов задержанной посылки символа «0» на входе синхронизации вследствие разности частот символов также начинает с каждым периодом перемещаться по сигналу на информационном входе. При этом на выходе Д-триггера состояние предыдущего символа «0» сохраняется до того момента времени, пока очередной положительный фронт импульсов задержанной посылки символа «0» на входе синхронизации не совпадет с максимумом импульса посылки символа «1» на информационном входе. В этот момент максимум импульса с информационного входа появляется на выходе Д-триггера, то есть с некоторой задержкой на выходе радиоприемного устройства появляется символ «1». При смене символа «1» на «0» величина задержки фронта символа «0» постоянна и равна, как показано выше, одному периоду частоты символа «0». Величина задержки фронта при смене символа «0» на «1» вследствие периодичности несущих частот символов может меняться и зависит от фактически установленного времени конструктивной задержки и соответствующего ему числа разрядов регистра сдвига. Это связано с тем, что в зависимости от установленного числа разрядов регистра сдвига изменяется длительность доли задержанной посылки символа «0», которая определяет фазу импульса этой посылки на входе синхронизации Д-триггера в момент смены символа «0» на «1». Этим значением фазы задается время от момента смены символов на информационном входе Д-триггера, в течение которого перемещающийся положительный фронт импульса задержанной посылки символа «0» впервые попадет на максимум импульса посылки символа «1» на информационном входе. Указанное время и является задержкой появления фронта символа «1» на выходе радиоприемного устройства. Разность времен задержек фронтов при смене символов определяет отклонение длительности демодулированного символа от длительности соответствующего переданного символа. В предлагаемом радиоприемном устройстве с автокорреляционным разделением посылок частотно-манипулированного сигнала с непрерывной фазой установкой соответствующего числа разрядов цифровой линии задержки можно добиться совпадения с незначительной погрешностью длительностей принимаемых и исходных символов.

При сдвиге частот символов 500 Гц кратное отношение длительности элементарного символа и периодов частоты обоих символов, обеспечивающее непрерывность фазы частотно-манипулированного сигнала, достигается при длительности элементарного символа 4,0 мС (скорость передачи 250 Бод) с несущими частотами символов «1» - 4,75 кГц, «0» - 4,25 кГц.

При сдвиге частот символов 200 Гц кратное отношение длительности символа и периодов частоты обоих символов, обеспечивающее непрерывность фазы частотно-манипулированного сигнала, достигается при длительности символа 5,0 мС (скорость передачи 200 Бод) с несущими частотами символов «1» - 4,6 кГц, «0» - 4,4 кГц.

Результаты моделирования работы радиоприемного устройства при сдвиге частот 500 Гц и 29 разрядах регистра (n_з=1) с тактовой частотой 125 кГц приведены на фиг.2.

Результаты моделирования работы радиоприемного устройства при сдвиге частот 500 Гц и 56 разрядах регистра (n_з=2) с тактовой частотой 125 кГц приведены на фиг.3.

Результаты моделирования работы радиоприемного устройства при сдвиге частот 500 Гц и 82 разрядах регистра (n_з=3) с тактовой частотой 125 кГц приведены на фиг.4.

Результаты моделирования работы радиоприемного устройства при сдвиге частот 200 Гц и 56 разрядах регистра (n_з=1) с тактовой частотой 250 кГц приведены на фиг.5.

Результаты моделирования работы радиоприемного устройства при сдвиге частот 200 Гц и 111 разрядах регистра (n_з=2) с тактовой частотой 250 кГц приведены на фиг.6.

Результаты моделирования работы радиоприемного устройства при сдвиге частот 200 Гц и 165 разрядах регистра (n_з=3) с тактовой частотой 250 кГц приведены на фиг.7.

На фиг.8 в таблице приведены длительности демодулированных символов на выходе радиоприемного устройства, рассчитанные и измеренные при моделировании выходных каскадов радиоприемного устройства с автокорреляционным разделением посылок частотно-манипулированного сигнала с непрерывной фазой с установленным вышеприведенным числом разрядов регистра задержки. Из таблицы фиг.8 следует, в что радиоприемном устройстве с автокорреляционным разделением посылок частотно-манипулированного сигнала с непрерывной фазой количество разрядов регистра сдвига, реализующее время задержки, рассчитанное в соответствии с формулой (1) при n_з=1 и равное периоду низшей частоты частотно-манипулированного сигнала, обеспечивает наилучшее совпадение длительностей демодулированных и переданных символов, при этом максимальная величина разности длительностей принятых и соответствующих переданных символов не превышает разности периодов частот частотно-манипулированного сигнала на входе Д-триггера.

Литература

1. Головин О.В. Профессиональные радиоприемные устройства декаметрового диапазона. - М.: Радио и связь, 1985, стр.240, рис.9.10.

2. Radio receiver for FSK signals. Патент США №4193034, H04L 27/14.

3. Радиостанция Р-168-100КА. Техническое описание ИТНЯ.464511.014-02ТО. ОАО « Сарапульский радиозавод», 2005. (Прототип).

Радиоприемное устройство с автокорреляционным разделением посылок частотно-манипулированного сигнала с непрерывной фазой, содержащее последовательно соединенные входной усилитель, первый преобразователь частоты, твердотельный фильтр основной селекции, усилитель промежуточной частоты, второй преобразователь частоты, фильтр нижних частот, усилитель-ограничитель и компаратор, выход которого соединен с входом цифровой линии задержки, выполненной в виде N-разрядного регистра сдвига и тактового генератора, отличающееся тем, что в устройство введен Д-триггер, информационный вход которого присоединен к точке соединения выхода компаратора и входа цифровой линии задержки, вход синхронизации Д-триггера соединен с выходом цифровой линии задержки, а выход Д-триггера является выходом радиоприемного устройства, причем количество разрядов регистра сдвига должно обеспечивать время задержки, связанное с несущими частотами символов соотношением:t_з=(n_з+^F/_f2)·1/_f1,где t_з - время задержки, мс;f₁ - частота символа «1» на входе Д-триггера, кГц;f₂ - частота символа «0» на входе Д-триггера, кГц;F=(f₁-f₂) - сдвиг частот символов, кГц;n_з=1, 2, 3… - число целых периодов частоты f₁ символа «1», укладывающихся во времени задержки.