РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ 1 страница

Квазикогерентные демодуляторы* ФМн-сигналов. Квазикогерентные демодуляторы ФМн-сигналов строят по корреляционному типу и различаются схемами устройств формирования опорного напряжения (УФОН). Одна из первых схем УФОН была предложена советским ученым А. А. Пис-толькорсом в 1933 г. (рис. 14.3). УФОН состоит из удвоителя частоты, с помощью которого из фазоманипули-рованного колебания образуется не-модулированное колебание. Оно фильтруется узкополосным фильтром ФВЧ, для уменьшения уровня помех. Затем частота колебания делится на два в делителе частоты, снова фильтруется фильтром ФВЧ₂ и через фазовращатель подается на коррелятор (Кор) как опорное колебание с малым уровнем помех. Фазовращатель компенсирует дополнительные фазовые сдвиги в тракте преобразования сигнала. Качество УФОН определяется «чистотой» опорного колебания, которая зависит от отношения ширины полос ФВЧ1и УПЧ. Однако недостаточная стабильность сигнала промежуточной частоты приемника не позволяет сужать полосу ФВЧ]. Поэтому пассивный узкополосный фильтр заменяют следящим фильтром типа ФАПЧ, отслеживающим изменения промежуточной частоты. Такая схема была предложена советским ученым В. И. Сифо-ровым в 1937 г. (рис. 14.4). Здесь

* В данном параграфе использованы материалы Н. Н. Белоусова и В. Е. Марти-росова

фильтрация шумов опорного канала производится системой ФАПЧ, работающей на удвоенной частоте. Существуют различные варианты этой схемы. Так можно построить ГУН на удвоенной частоте, а затем использовать делитель частоты для образования опорного сигнала. Можно также применить смеситель, на который подается входной сигнал удвоенной частоты 2/₀ и сигнал ГУН с частотой /₀. Тогда выходной сигнал смесителя с частотой /₀ будет подаваться на фазовый дискриминатор ФАПЧ.

В 1956 г. американским ученым Д. Костасом была предложена схема квазикогерентного демодулятора (рис. 14.5), состоящего из двух корреляторов, на которые опорные сигналы подаются в квадратурах. Манипуляция устраняется в перемножителе, на его выходе установлен узкополосный фильтр ФНЧ₂, фильтрующий шум опорного канала. Техническая особенность схемы состоит в том, что перемножитель работает на постоянном токе. При демодуляции ФМн-сигналов на входе демодулятора устанавливается ограничитель, устраняющий влияние изменений амплитуды на работу схемы. Демодулирован-ный сигнал снимается с выхода одного из корреляторов. Схема Костаса может применяться также для демодуляции АМн-и АМ-сигналов.

На рис. 14.6 приведена схема квазикогерентного демодулятора ФМн-сигналов, предложенная советским ученым В. М. Каршиным в 1967 г. Здесь опорный сигнал образуется из входного сигнала в реверсивном модуляторе (РМ), в котором устраняется модуляция. На реверсивный модулятор подается входной высокочастотный ФМн-сигнал и выходной сигнал в виде последовательности положительных или отрицательных видеоимпульсов. Таким образом, в модуляторе замыкается цепь обратной связи, поэтому схема рис. 14.6 называется также демодулятором с обратной связью по решению. Далее выходной сигнал модулятора фильтруется от шумов системой ФАПЧ, с выхода ко-

торой гармонический опорный сигна/ подается на перемножитель. На входе демодулятора установлен ограничитель (01), ослабляющий влияние изменений амплитуды на работу У ФОН На высоких промежуточных частотах ограничители обычно работают недостаточно эффективно. Поэтому £ УПЧ приемника ФМн-сигналов не обходимо применять высокоэффектив ную систему АРУ.

В последнее время предложень адаптивные квазикогерентные демодуляторы, которые могут работать без системы АРУ и ограничителя, об ладая при этом высокими качествен ными показателями. Схема одного и; вариантов адаптивного демодулятор* ФМн-сигналов приведена на рис. 14.7 Она состоит из двух частей: генерато ра опорного сигнала (ГОС) и адап

тивного фильтра, в который входит демодулятор, охваченный дополнительной обратной связью. Сигнал со снятой в РМ модуляцией поступает на ГОС. Опорный сигнал подается на демодулятор через цепь обратной связи, образованной РМ, вычитающим устройством, УНЧ, иеремножи-телем. В этой цепи сравниваются амплитуды сигналов со снятой модуляцией и опорного. При большом усилении в цепи амплитуды этих сигналов оказываются примерно одинаковыми при изменении уровня входного сигнала в широких пределах. Цепь работает как быстродействующая АРУ (ширину полосы пропускания ее выбирают большей ширины спектра сигнала). Она стабилизирует уровень сигнала на входе ГОС. За счет этого уменьшается влияние замираний входного сигнала на величину установившейся фазовой ошибки, вызванной начальной расстройкой ГОС.

Качество квазикогерентных демодуляторов оценивают вероятностью ошибки Р_е посимвольного приема ФМн-сигнала. В рассмотренных демодуляторах фаза опорного колебания ф_оп — случайный процесс, поэтому можно записать:

(14.1)

Здесь Р (ф) — плотность распределения вероятностей фазового рассогласования ф; ф_с — фаза принимаемого сигнала; Э = <7²772 — энергия сигнала на интервале длительности посылки [0; Г].

В случае малой дисперсии фазового рассогласования (D^ <^ 1) плотность распределения Р (ф) аппроксимируют законом нормального распределения:

где т$ — среднее значение фазы опорного колебания; А„ — начальная расстройка частот принимаемого и опорного колебания; А_у — ширина полосы удержания системы ФАПЧ; q_x — отношение сигнал/шум в полосе ФАПЧ.

Обычно ширину полосы пропускания ЛЧП для ФМн-сигналов выбирают большей, чем при согласовании длительности импульса с шириной полосы (12.2), (12.3), для уменьшения уровня межсимвольных искажений, а именно: П₀_₇ = б/Г. При этом условии среднее значение и дисперсия фазы опорного колебания равны:

для схем Сифорова и Костаса

для схемы Каршина

Здесь П_ш — шумовая полоса системы ФАПЧ.

На рис. 14.8 приведены кривые, характеризующие помехоустойчивость адаптивного демодулятора (а) и демодулятора Каршина (б), рассчитанные по формулам (14.1) — — (14.4). Для сравнения на рисунке приведены кривые для когерентного демодулятора (ip = 0).

Особенностью квазикогерентных демодуляторов ФМн-сигналов является возможность «негативного» приема, возникающего за счет того, что при любом способе восстановления опорного сигнала возможны случайные скачки фазы сигнала опорного гетеродина на ± 180^е. Это вызвано тем, что опорный гетеродин синхронизируется принимаемым сигналом, в котором фаза манипулируется на 180° в соответствии с передаваемой информацией. Поэтому у гетеродина имеется два устойчивых состояния равновесия и переброс его из одного состояния в другое может быть вызван случайной комбинацией нулей

или единиц передаваемой информации или принимаемым шумом.

Широко распространенным способом устранения этого явления служит применение относительной фазовой манипуляции (ОФМн), предложенной в 1954 г. советским ученым Н. Р. Петровичем. Она используется в телефонии, телеграфии и высокоскоростных системах передачи информации, таких, как радиотелеметрия, передача изображений и т. д. Суть способа состоит в том, что передаваемая информация кодируется не абсолютным значением фазы каждого элемента сигнала, а разностью фаз между последовательными элементами. При таком способе передачи началом отсчета фазы каждой очередной посылки является фаза предыдущей посылки. Можно условиться, что при передаче «1» фаза посылки ОФМн-сигнала остается такой же, как у предыдущей посылки, а при передаче «0» меняется относительно предыдущей посылки. Тогда соответствие между исходным сообщением и ФМн-сигналами выглядит так, как показано в первых трех строках табл. 14.1.

Квазикогерентный демодулятор ОФМн-сигналов строят по схеме рис. 14.9. Решение о том, какой символ был передан, принимается после сравнения полярностей огибающей принятой посылки с предыдущей (способ «сравнения полярностей»). Решающее устройство демодулятора состоит из элемента памяти в виде ли-

Таблица 14.1

Негативный прием

нии задержки (ЛЗ) с т₃ — Т и схемы совпадения (СС). При совпадении полярностей в момент времени t — Т решающее устройство фиксирует наличие «1» в противном случае — «0».

Принципиальная особенность этого демодулятора состоит в том, что скачок фазы сигнала опорного гетеродина (ГОС) приводит лишь к появлению локальной ошибки в один или два символа в отличие от демодулятора ФМн-сигнала (см. рис. 14.5), когда перескок фазы ГОС вызывает негативную работу демодулятора. При приеме ОФМн-сигнала ошибка в передаче символа возникает в момент перескока фазы ГОС, как показано в столбце 7 таблицы. В последующие моменты времени (столбцы 8, 9, 10) ошибки не возникает, так как демодулятор реагирует на разность фаз между последовательными посылками, а она не зависит от абсолютной фазы

ГОС. При приеме ОФМн-синала из-за шума возможно появление парных ошибок, как показано в столбцах 11, 12 таблицы. В момент времени, соответствующий столбцу 11, из-за шума посылка сигнала и_с1 была принята как сигнал и_с0 (строка 3, столбец 11 таблицы). Это привело к появлению парной ошибки на выходе (строка 7, столбцы 11, 12).

Для вычисления вероятности ошибки при приеме ОФМн-сигнала необходимо знать совместную плотность вероятности ошибок соседних посылок. Если одна из посылок будет принята ошибочно, то сравнение полярностей даст неверный результат. Если же ошибочно будут приняты обе соседние посылки, то принятое решение будет правильным. Поэтому вероятность ошибки в когерентном демодуляторе ОФМн-сигналов определяется вероятностью того, что одна из соседних посылок будет принята ошибочно. Можно показать, что при независимости ошибок в случае приема соседних посылок эта вероятность

Квазикогерентный демодулятор АМн-сигналов. Квазикогерентный демодулятор двоичных АМн-сигналов с пассивной паузой строят по корреля-

ционной схеме (рис. 14.10). Создать точную копию принимаемого полезного сигнала в приемнике сложно. Один из возможных способов создания опорного сигнала состоит в использовании системы импульсно-фазо-вой автоподстройки частоты, работающей от принимаемых импульсов. УФОН вырабатывает гармонический сигнал с частотой, равной несущей частоте импульсов.

В системе импульсно-фазовой автоподстройки частоты применяется им-пульсно-фазовый детектор (ИФД) и запоминающее устройство (ЗУ) на его выходе. В качестве ИФД используется балансный ФД, а в качестве ЗУ — /?С-цепь. Параметры схемы ФД выбирают так, чтобы постоянная времени заряда конденсатора С была меньше длительности фронта импульса сигнала, а постоянная времени разряда — значительно больше периода следования импульсов. Для выполнения этого условия необходимо применять диоды с большим отношением обратного сопротивления к прямому и выбирать уровень подводимых к ФД напряжений так, чтобы в промежутке между импульсами диоды надежно запирались. Сопротивление нагрузки должно быть большим как по постоянному, так и по переменному току.

РУ в моменты окончания тактов / = пТ, п = 1, 2, 3, ... производит сравнение выходного напряжения коррелятора с пороговым и выносит решение о наличии сигнала.

На практике АМн-сигналы применяются редко, так как вероятность ошибок у них больше, чем у сигналов с другими видами модуляции. Кроме того, система связи с АМн-сигналами неэффективна по использованию передаваемой мощности. Известно, что при двухуровневом коде максимальное использование мощности достигается в случае, когда передаваемые сигналы противоположны (ы_с] = — ы_с„), т. е. когда два идентичных сигнала отличаются только сдвигом фазы на 180°.

Другой недостаток АМн-сигналов заключается в том, что вероятность

ошибки- как при когерентном, так при некогерентном приеме этих сигн лов зависит от отношения мощносп сигнала и шума. Так, при когерен ном приеме и равной вероятности п сылкн и паузы она определяется с отношением

Здесь <7_П = U„/2P_m — относительнь порог; q = 0^г/2Р_ш; U — значеш огибающей сигнала; U_n—значеш порогового напряжения.

При фиксированном значении q с; шествует оптимальный порог U_nov минимизирующий вероятность Р_е ^nopt — И12.

Р_е = 1 - FVql2.

Для работы приемника с оптималь ным порогом уровень сигнал! стре мятся поддерживать постоянным С этой целью применяют систему АРУ работающую в широком диапазон входных сигналов, а при сравнитель но быстрых замираниях сигнала — специальную систему АРУ, позволя ющую запоминать сигнал и поддер живать в паузах усиление неизмен ным. Используют также устройства автоматически изменяющие порог пр! изменениях уровня сигнала. Это зна чительно усложняет схему приемника По указанным причинам АМн-сигна лы применяются реже, чем ФМн- \

ЧМн-сигналы,— в случаях, когда отношение мощности сигнала к мощности шума велико, для демодуляции используется простой детектор огибающей и главной причиной является стоимость приемника.

Квазикогерентный демодулятор двоичных ЧМн-сигналов. Квазикогерентный демодулятор двоичных ЧМн-сигналов строят обычно по схеме двухканального коррелятора (рис. 14.11). На входе каналов установлены полосовые фильтры ФВЧ^ ФВЧ₂, настроенные на различные средние частоты /,, /₂. Для каждого из каналов формируется свое опорное напряжение, которое подается на соответствующие корреляторы.

Выходные сигналы корреляторов сравниваются в момент окончания посылок в решающем устройстве РУ, где принимается решение о том, какой из двух символов передавался в момент окончания посылки. Энергии ЧМн-сигналов и_с1, и_с2 одинаковы, поэтому порог для них всегда равен нулю и не зависит от отношения мощностей сигнала и шума.

При когерентном приеме двоичных ЧМн-сигналов одинаковой энергии вероятность ошибки Р_е =