SU1755388A1 - Устройство восстановлени несущей частоты - Google Patents

Abstract

Использование: радиотехника, когерентные приемники сигналов бинарной фазовой манипул ции. Сущность изобретени  устройство содержит два фазовых детектора , два компаратора, два ключа, элемент И, элемент ИЛИ-НЕ, фазовращатель на л:/2, сумматор, узкополосный след щий фильтр, выполненный в виде кольца ФАПИ, и фазо- расщепитель сигнала. Повышение помехоустойчивости при воздействии флуктуационных помех достигаетс  за счет стробировани  входной смеси ключами, в св зи с чем пропускаютс  лишь те участки входной смеси, на которых сигнал накапливаетс  более эффективно, чем шум. 1 з.п.ф- лы, 10 ил.

Description

ТЕ.,- ,

Изобретение относитс  к радиотехнике и может быть использовано в когерентных приемных устройствах бинарных фазомани- пулированных (ФМн) сигналов.

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

Эффективность таких устройств резко падает при уменьшении отношени  сигнал/шум .

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  устройство восстановлени  несущей частоты со сн тием манипул ции (ремодул цией). Данное ус- тройство содержит первый фазовый детектор (ФД), вход которого соединен с входом перемножител  и  вл етс  входом устройства, выход первого ФД подключен через ограничитель к другому входу перемножител , выход которого соединен с входом схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), выход которой  вл етс  выходом устройства и, кроме того, присоединен с опорному входу пёрво гЪ ФД.

Схема ФАПЧ содержит последовательно соединенные второй ФД, фильтр петли (ФП), сумматор, перестраиваемый генератор (ПГ), фазовращатель (ФВ), причем вход ФД  вл етс  входом, а выход ФВ - выходом схемы ФАПЧ, выход ПГ, кроме того, присо-. единен к опорному входу ФД, а на второй вход сумматора подае Ј  напр жение поиска сигнала.

При уменьшении на входе устройства отношени  сигнал/помеха происходит увеличение фазовой ошибки, измер емой среднеквадратичным уУлсШым отклонением вектора опорного колебани  q(t,&) от вектора несущего колебани  сигнала.

XI

сл ел ы

00

С наибольшей ошибкой принимаютс  участки входной смеси с фазами вблизи зна-. чений +   /2.

Наличие шума во входной смеси приводит к по влению в выходном сигнале ремо- дул тора дискретной составл ющей шума (ДСШ). Фаза этой составл ющей равна фазе опорного колебани , а амплитуда определ етс  уровнем шума на входе устройства. Суммарна  дискретна  составл юща  на входе узкополосного след щего фильтра (УПСФ) равна векторной сумме дискретной составл ющей сигнала (ДСС) и ДСШ. Оба слагаемых имеют одну частоту и поэтому сужением шумовой полосы схемы УПСФ ДСШ не может быть ослаблена. При уменьшении отношени  сигнал/шум ДСШ возрастает и УПСФ начинает отслеживать равномерно распределенную фазу шума, что определ ет предел помехоустойчивости устройств восстановлени  несущей частоты , основанных на ремодул ции входного сигнала.

Цель изобретени  - повышение помехоустойчивости устройства восстановлени  несущей частоты при воздействии флуктуа- ционных помех.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в устройство, содержащее последовательно соединенные ФД и компаратор, причем сигнальный вход ФД  вл етс  входом устройства , УПСФ, выход которого  вл етс  выходом устройства, введены второй ФД и второй компаратор, логические элементы 2 Ии2ИЛИ-НЕ, фазовращатель (Ф В) на nil и фазорасщепитель сигнала (ФРС) на+  /4 и - л /4, два ключа и сумматор. Сигнальный вход второго ФД соединен с входом первого ФД, выходы обоих ФД через соответствующие компараторы соединены одновременно с соответствующими входами логических элементов 2И и 2И-НЕ, выходы которых соединены с управл ющими 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 фазовращатель на л II. Опорные входы обоих ФД подключены к соответствующим выходам ФРС: первый ФД - к выходу /4, второй ФД - к выходу -   /4, вход ФРС соединен с выходом УПСФ.

Повышение помехоустойчивости предлагаемого устройства достигаетс  за счет стробировани  входной смеси x(t) по фазовому признаку, что позвол ет сохранить синхронизм восстановленной несущей с несущей частотой принимаемого ФМн-сигнала при более низких отношени х сигнал/помеха .

На фиг,1 представлена функциональна  схема предлагаемого устройства, где обозначено: 1.1 и 1.2 - ФД, 2.1 и 2.2 - компараторы , 3.1.1 - логический элемент 21/1, 3 2.1 - логический элемент 2ИЛИ-НЕ, 3 1.2 и 3.2.2 - ключи, 3.2.3 - ФВ на   /2, 4 - УПСФ, 5 - сумматор, б - ФРС на +   /4 и -  /4.

0Предлагаемое устройство содержит ФД

1.1 и 1.2, входы которых объединены и  вл ютс  входом всего устройства, а выходы через компараторы 2.1 и 2.2 подключены к соответствующим входам логического эле5 мента 2И 3.1.1 и логического элемента 2ИЛИ-НЕ 3.2.1, выходы которых подсоединены к управл ющим входам ключей 3.1 2 и 3.2.2 соответственно. Выходы ключей 3 1.2 и 3.2.2 объединены через сумматор 5 и под0 соединены к входу УПСФ 4, выход которого  вл етс  выходом устройства. Сигнальный вход ключа 3.1.2 соединен с входом фазовращател  на  /2 3.2 3 и соединен с входом устройства и входами ФД 1.1 и 1.2. Выход

5 фазовращател  на   /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

0 Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Смесь ФМн-сигнала и помехи x(t) S(t)-f + n(t) поступает на сигнальные входы ФД 1.1 и 1.2 и ключа 3.1 2. На вход ключа 32,2

5 входна  смесь поступает после инвертировани  фазовращателем 3,2.3. На управл ющий вход ФД 1.1 поступает опорное колебание qi(t,$)  (т,Ф +   /4), полученное путем задержки в ФРС б на   /4 коле0 бани  р(т,Ф), вырабатываемого УПСФ 4. Аналогично с второго выхода ФРС 6 на управл ющий вход ФД 1.2 поступает опорное колебание д2(т,Ф) q(t,6 -   /4). На выходах ФД 1.1 и 1.2 напр жени  fi(t) и ft(t)

5

положительны или отрицательны в зависимости от значени  угла ДФ отклонени  вектора x(t) (фиг.2). Компараторы 2.1 и 2.2 квантуют соответственно напр жени  Јi(t) и Ј2(1) на два уровн  (О или 1) и подают ® на логические элементы 3.1.1 и 32.1. Под воздействием сигналов (t) и 1fd2 (t) с выходов компараторов 2.1 и 2.2 элементы 3.1.1 и 3.2.1 вырабатывают логические сигналы Vi(t) и V2(t). Ключ 3.1.2 под воздействием сигнала V1 - 1 пропускает входную смесь x(t) на УПСФ только при -   /4 Ф .+   /4. Ключ 3.2.2 под воздействием сигнала V2 Г пропускает инвертированную входную смесь y{t) x(t) только при 3   /4 фЈ

5

5 . При л: /4 Л Ф 3 л /4,3л: /4 А Ф 7 л: /4 напр жени  Vi(t) V2(t) 0, ключи 3.1.2 и 3.22 размыкаютс  и подача сигнала на УПСФ прекращаетс , Сигнал на выходе сумматора 5 W(t) содержит ДСС 5 УПСФ 4, отслеживает фазу этой составл ющей и выдает опорное колебание q(t.&),  вл ющеес  оценкой несущего колебани  входного ФМн-сигнала S(t).

Помеха n(t) в отсутствие сигнала имеет 10 равномерное распределение фазы (фиг.З)

Рш(у) .Вектор п (р)

принимает в пределах - л р л произвольные положени  с равной веро тно- 15 стью (фиг.4), поэтому входной нестробировзнный (чистый) шум не содержит дискретной составл ющей (каждому значению п( соответствует равноверо тное значение п(де + л ) -п(уз) и суммарное 20 значение проекций на ось опорного колебани  N(p)равно нулю.

Принцип действи  предлагаемого устройства (как и устройства прототипа) основан на формировании ремодул тором из 25 входной смеси дискретной составл ющей, которую отслеживает УПСФ Ремодул тор осуществл ет преобразование интервала + п значений фаз входной смеси x(t) в величину , меньшую+  , что приводит к по вле- 30 нию в его выходном сигнале W(t) суммарной дискретной составл ющей от сигнала и шума .

На фиг.5 показана векторна  диаграмма , по сн юща  образование ДСШ N( p) 35 при выделении из шума составл ющих с фазами, ограниченными интервалом - j) (р 1/) . где I ty I п .

В предлагаемом устройстве стробиру- ютс  (пропускаютс ) участки входной сме- 0 си, на которых сигнал накапливаетс  более эффективно, чем шум, а остальные участки блокируютс  (стираютс ).

Уменьшение веро тности срыва синхронизации в ремодул торе со стробирова- нием по фазе обусловлено предотвращением скачка управл ющего напр жени  в УПСФ при больших выбросах квадратурной компоненты шума. За счет достаточно большой посто нной времени (уз- 50 кой полосы пропускани ) сохран етс  синхронизм даже при бланкировании значительной части смеси.

Рассмотрим вопрос вхождени  предлагаемого устройства в режим слежени .55

Пусть, в начальный момент фаза опорного колебани  находитс  за пределами интервала Ј- /4 , лг/4 и дл  определенности равна л /2. Тогда стробируютс  участки

входной смеси в интервалах  /4,3 л/4 , 5 л/4 , 7 л/4 и ДСС равна нулю. Поэтому УПСФ начинает отслеживать ДСШ, фаза которой мен етс  случайным образом . Под действием шумовых флуктуаций вектор опорного колебани  р(1,Ф) начинает смещатьс  от положени   /2. Области стро- бировани  также смещаютс , ДСС возрастает , УПСФ начинает отслеживать сумму ДСС и ДСШ, пока вектор q(t,c$) не переместитс  в область 0 (или тс при обратной р аботе), где значение ДСС максимальное.

Восстановление несущей частоты в схеме с ремодул цией с фазовым стробирова- нйем основано на оценках фаз единичных элементов ФМн-сигнала. Правильное рас познавание единичных элементов увеличь вает выходное отношение сигнал/шум, уменьшает дисперсию фазы и веро тность ее перескоков. Ошибочные решени  ведут к уменьшению отношени  сигнал/шум за счет взаимной компенсации правильно и неправильно прин тых элементов сигнала. Так как области значений фаз л/А , 3 л/4 и 5 л/4 . 7  /4 соответствуют решени м с повышенной веро тностью ошибки, они блокируютс  (фиг.2).

Системы, использующие бланкирование входной смеси дл  повышени  помехоустойчивости , известны. Так, например, в схеме слежени  за фазой прерывистого сигнала при пропадании сигнала исчезает полезное напр жение на выходе дискриминатора, обусловленное преобразованием сигнала, но сохран етс  флуктуа- ционное напр жение. Дл  того, чтобы исключить его вли ние на формирование оценки фазы, производитс  размыкание след щей системы. Так как компенсаци  элементов сигнала в предлагаемом устройстве эквивалентна его пропаданию, то блан- кирование соответствующих участков входной смеси также дает положительный эффект.

Доказательством достижени  поставленной цепи может быть оценка эффективности предлагаемого устройства по сравнению с прототипом, проведенна  дл  случа  малого отклонени  фазы входной смеси от фазы опорного колебани . Дл  этого получим выражение дл  функции распределени  фазы смеси бинарного ФМн-сигнала и узкополосного гауссового шума Рсм( р) при малых отношени х сигнал/шум:

Рсм(р)(1Р)+Р1(0н-  ).

где Pi(  ) - функци  распределени  фазы смеси синусоидального сигнала с нулевой начальной фазой и гауссового шума;

Р(#Н-Я )-функци  распределени  фазы смеси синусоидального сигнала с начальной фазой   и гауссового шума.

Функци  распределени  фазы смеси синусоидального сигнала с начальной фазой /)0 и гауссового шума при отношени х сигнал/шум « 1 определ етс  выражением:

Рем (У)1+ cos(-fo)+

о2

cos 2 (f - po ) ;

Рем (P)«5+cosy ),

4л- о2 -   у л,

На фиг.б и 7 показан график функции Рсм(р) в декартовых координатах, а также в пол рных соответственно

Предлагаемое устройство осуществл ет стробирование входной смеси x(t) по фазе в пределах -  /4  /4 и 3  /4 5  /4 , в то врем  как устройство-прототип - в пределах - л/2 р ж/2 и  /2 р 3  /2 (фиг 2) Покажем, что предлагаемое устройство эффективнее устройства-прототипа и что выбор интервалов стробировани  - /4,  /4 Jи

{ 3  /4 , 5  /4  вл етс  оптимальным

Дл  этого предположим, что стробирование производитс  в произвольном интервале 2 - ij) p ip и (  - чр) р (л + Ц В предлагаемом устройстве дл  этого необходимо установить задержку в ФРС б на # и - V ( 2   - ) . Дискретна  составл юща  от части смеси, фаза которой заключена в интервале - ty.ij) (фиг.7) А ( ip) , пропорциональна

V величине / Р см (р) cos (f d p

-V

Действительно амплитуда дискретной составл ющей равна средней величине суммарной проекции вектора смеси в заданном фазовом интервале на ось опорного колебани . Углова  плотность распределени  средних значений модул  вектора W(t) определ етс  функцией распределени  фазы

4Я02 - л р л где а- амплитуда синусоиды;

о2 - дисперси  шума. Таким образом, дл  смеси бинарного ФМн-сигнала и гауссова шума при отношени х сигнал/шум 1 функци  распределени  фазы определ етс  выражением 1 . а

Ф I У) входной смеси : /0ср (р)р% Р (р) .где /9°Ср не зависит от р.

Следовательно, средн   величина про- екции А () вектора W(t) на ось q(t,cb) равна

10

VФ

A lvhj pcpMcoscpdcj p° J P(q).

-/, ./.I

-v

-v

Откуда

ч

.р JP(cflcosCfJcf

СР:

ч

или

A (V)- / P()costf dtf

V

Аналогично дискретна  составл юща  части в интервале  -Ц).  + VI равна ,  +V

A(V)/ рсм (cp)costf d(/

  -

При этом

АЗД -А( V)На фиг.8 и 9 показаны векторные диаг- раммы, по сн ющие образование дискретных составл ющих А () и А( ) на выходе ремодул тора за счет стробировани  входной смеси x(t} в интервале + (относительно О и   соответственно) и составл ющей Ах .V ) выходной смеси W(t). получаемой путем сложени  А ( j) ) и инвертированной А(),

Суммарна  дискретна  составл юща  дл  обоих фазовых интервалов стробирова- ни  с учетом инверсии входной смеси в фазовращателе 3.2.3 равна

V4

45 AM (cos2(p)costf

ei«

(|)+(co5(, 5iW(p),

j

Слагаемое N( ip ) - sin if) не зависит от

сигнала и  вл етс  ДСШ. Слагаемое S ($

о2

(Cos -sfn 2 V + sin V- )  вл етс 

З сг

ДСС. Исследование на экстремум выражени  дл  S(V ) показывает, что ДСС имеет максимум при гЛ/4 (фиг. 10);

max S(VO S(n/4). t/ Зло2

ДСШ при - тс/А равна

М( /4)4Дл  устройства-прототипа р-п/1 ДСС и ДСШ соответственно равны:

8( /2)-

Зл: о2

1ST

(/2)Ј- Таким образом, дл  предлагаемого устройства по сравнению с прототипом выигрыш в отношении сигнал/шум составл ет V2 за счет увеличени  ДСС и /2 - за счет уменьшени  ДСШ (котора  не может быть ослаблена сужением шумовой полосы УПСФ 4, так как частоты ДСС и ДСШ одинаковы ),

Claims (2)

1. Устройство восстановлени  несущей частоты, содержащее последовательно соединенные узкополосный след щий фильтр, фазорасщепитель сигнала на +   /4 и - п/ /4, первый фазовый детектор и первый ком- паратор, соединенные последовательно второй фазовый детектор и второй компаратор , соединенные последовательно, первый

Двухканалшм ремодул л о0 со ст0о&//)оЗа/шем па фазойому лризиаку

0

5

0

5

0

перемножитель и сумматор, а также соединенные последовательно фазовращатель на   /2 и второй перемножитель, причем второй вход сумматора соединен с выходом второго перемножител , а выход сумматора - с входом узкополосного след щего фильтра , второй вход второго фазового детектора подключен к второму выходу фазорасщепи- тел  сигнала на + п /4 и -   /4, а вход первого перемножител , фазовращател  на ж /2 и первые входы первого и второго фазовых детекторов  вл ютс  входом устройства , отли чающеес  тем, что, с целью повышени  помехоустойчивости при воздействии флуктуационных помех, в него введены элемент И и элемент ИЛИ-НЕ, а первый и второй перемножители выполнены в виде ключей, причем выход элемента И соединен с управл ющим входом первого ключа, выход элемента ИЛИ-НЕ - с управл ющим входом второго ключа, первые входы элементов И и ИЛИ-НЕ соединены с выходом первого компаратора, а их вторые входы - с выходом второго компаратора,

2. Устройство поп.1,отличающее- с   тем, что узкополосный след щий фильтр выполнен в виде блока фазовой автоподстройки частоты, состо щего из соединенных в кольцо фазового детектора, фильтра петли и подстраиваемого генератора, при этом второй вход фазового детектора  вл етс  входом устройства, а выход подстраиваемого генератора - его выходом.

улсФ

(

-t-

ti(t)0.(t).tr,W)t егЮ.о,хлю 0;УгК)Я Входна  спесь x(t) инвертируетс  и поступает нл УПСФ

1, 2- области значений

фаз, соответствующих повышенной веро тности

ошибки

%

АФЈ

П

Јj(t) 0, xtti(t) j; ц ft} ъ

t2(t)Q,Xd2(t)0:(t)Oa Входна  емесь х (t) не поступает на УЯСФ

Jf л/л 5$ - ,4$

n(t).tr,W)t ю 0;УгК)Я сь x(t) инвер поступает

t 4

Л

t,tt)7a,&tj(t)ity r Јг№70 х п ю г,

Входна  смесь K(t)no ступает #а УДСФ

-4 СЛ СЛ 00 00 00

л

Ґ

%2(ф)2(ф

ъ

l,(t)0, $dl(Us v М Q tz(t)r0,Xrt(t) Г, V2(t) 0 Входна  смесь x(t) fie поступает на УПСФ

Фиг. 2

-ж

П(ъ +Я)

Фиг. 4

/

X

V

Фиг.5

/шМ

112 У

о Фиг.З

tf tp

(%)

H(V)0$()

N(V)0 q.(t,0)

W&

I

ч

W/////WJ

f

-

I

Ј

Q

4

Ш

$$Ш

..

:.-:..-.%

. .;

-J ел 01

CJ 00 00

Ц

W////////fa

$(t,0+ff/2)(t,$)

Mt

и

Фиг.8

,Ф +V/2 7(tt Ф)

V A W А

fftj)

2jak/t(9), L

J(w 7(t, Ф)

y- V

Фиг. 9