5.20.3 Фазовращатель

Устройство (рисунок 5.77) предназначено для изменения фазы гармонического сигнала в диапазоне от 0 до 180є при изменении управляющего напряжения от -1 до +1 В.

В основу фазовращателя положен мост, выполненный на элементах R2, R8, C2, C3, VT2. В качестве управляющего элемента используется полевой транзистор VT2, сопротивление которого меняется в зависимости от управляющего сигнала. Кроме того, включение этого транзистора в исток транзистора VT1 обеспечивает большое сопротивление для входного сигнала. Выходной сигнал фазовращательного моста подается на затвор транзистора VT3.

Рисунок 5.76 - Временные диаграммы, иллюстрирующие процесс получения опорного напряжения

Рисунок 5.77 - Фазовращатель на полевых транзисторах

5.21 Демодуляторы М-ичной амплитудной манипуляции

На рисунке 5.78 приведена структурная схема оптимального (в смысле минимальной средней вероятности ошибки при демодуляции) символа (элемента) сообщения когерентного демодулятора МАМП сигналов. Она содержит когерентный (синхронный) детектор, согласованный фильтр, дискретизатор, многопороговое решающее устройство. В многопороговом решающем устройстве производится сравнение текущего отсчета выходного сигнала согласованного фильтра с возможными значениями, соответствующими переданным символам, и выносится решение в пользу ближайшего. В демодулятор включены два вспомогательных элемента: блоки восстановления несущей и тактовой частоты. Первый служит для формирования опорного напряжения для когерентного (синхронного) детектора, второй - для формирования последовательности стробирующих импульсов с частотой следования символов, моменты появления которых должны совпадать с моментами достижения максимального значения выходными сигналами согласованного фильтра, т.е. тактовыми моментами времени kT_s.

Рисунок 5.78 - Структурная схема оптимального когерентного демодулятора МАМП сигналов

5.22 Демодуляторы М-ичной фазовой манипуляции

Структурная схема оптимального когерентного демодулятора 4ФМП сигналов (наиболее простого) изображена на рисунке 5.79. Демодулятор по существу представляет параллельное соединение 2-х когерентных демодуляторов 2ФМП сигналов, в которых решение относительно двоичных сигналов передаваемого сообщения выносится независимо путем определения знака отсчетов квадратурных составляющих принимаемых сигналов. В общем случае решения относительно переданных символов сообщения на основе анализа отсчетов квадратурных составляющих принимаемых сигналов должно выноситься совместно. Вместо обычных знаковых компараторов необходимо использовать в каждом канале многопороговые решающие устройства и логическую схему, обеспечивающую однозначное восстановление исходных символов сообщения. С помощью этих элементов осуществляется разбиение двумерного сигнального пространства на секторы шириной 2р/М и проверка на принадлежность принятого сигнального вектора тому или иному сектору.

Рисунок 5.79 - Структурная схема оптимального когерентного демодулятора АМП сигналов

Этот же принцип проверки по секторам можно реализовать в несколько иной форме, анализируя лишь фазу принятого сигнального вектора и сравнивая ее с возможными значениями фазы сигнальных векторов в двумерном сигнальном пространстве. В качестве истинного значения фазы, а следовательно, и символа переданного сообщения принимается то, которое «ближе всего» расположено к значению фазы принятого сигнального вектора. Оптимальное оценивание фазы принятого сигнально вектора осуществляется в соответствии с алгоритмом

, (5.43)

.(5.44)

Структурная схема когерентного демодулятора многопозиционных ФМ сигналов (МФМП) реализующего алгоритм (5.43), (5.44), изображена на рисунок 5.80.

Иногда на практике возникает необходимость в демодуляции ФМ сигналов без когерентного опорного сигнала. Это прежде всего связано с ограничениями на сложность реализации демодулятора и на время, затрачиваемое на восстановление несущей с требуемой точностью, либо с невозможностью формирования когерентного опорного сигнала из-за значительных фазовых возмущений, вносимых аппаратурой приемопередающего трата и средой распространения сигналов.

Рисунок 5.80 - Структурная схема когерентного демодулятора А-ФП сигналов

Один из подходов, позволяющих осуществить демодуляцию ФМ сигналов без когерентного опорного сигнала, заключается в использовании в качестве последнего сигнала, принимаемого в интервале времени (k-1)T_s, который предшествует текущему. Таким образом, если последовательность символов передаваемого сообщения предварительно подвергнута относительному кодированию в модуляторе передатчика, то, анализируя разность фаз сигналов, принимаемых в смежных интервалах времени (k-1)T_s, и kT_s, в демодуляторе приемника принципиально возможно восстановить исходные символы передаваемого сообщения и устранить фазовую неоднозначность. В этом случае символы передаваемого сообщения отображаются в разностях фаз ?ц_k= ц_k- ц_k-1 значения, которых выбираются из множества

{ . (5.45)

Структурная схема автокорреляционного демодулятора М-ичной относительно ФМП (МОФМП) сигналов для М=4 изображена на рисунке 5.81. Здесь фазовая неоднозначность ф_н может быть устранена, если она остается постоянной по крайней мере на протяжении двух смежных интервалов времени T_s. Эта схема реализует оптимальный по критерию максимального правдоподобия алгоритм оценивания разности фаз принимаемых сигналов на протяжении двух смежных интервалов времени T_s [22].

Рисунок 5.81 - Автокорреляционный демодулятор 4ОФМП сигналов

Одним из достоинств р/4-ОКФМП сигнала является возможность достаточно простой реализации алгоритмов некогерентной.

Рисунок 5.82. - Структурная схема автокорреляционного демодулятора р/4 - ОКФМП сигналов

Демодуляции с автокорреляционным преобразованием, не требующих предварительного восстановления несущей. Это особенно важно для каналов связи с допплеровским сдвигом частоты и быстрыми релеевскими замираниями.

Алгоритмы некогерентной демодуляции с автокорреляционным преобразованием сигналов со смещенной относительной квадратурной манипуляцией реализуются сложнее.

Структурные схемы демодуляторов, реализующих алгоритмы некогерентной демодуляции л/4-ОКФМ сигналов изображены на рисунках 5.82, 5.83. Первая является чисто автокорреляционной, вторая - квадратурной с автокорреляционным преобразованием.

Рисунок 5.83 - Структурная схема некогерентного демодулятора р/4 - ОКФМП сигналов

5.23 Демодулятор квадратурной амптитудной манипуляции

Структурная схема когерентного демодулятора КАМ сигналов для создания созвездий прямоугольной конфигурации (рисунке 5.84), которые обеспечивают простоту технологической реализации устройств модуляции и демодуляции приведена на рисунке 5.85.

(Пунктирными линиями указаны границы сигнальных созвездий для различных М.)

Здесь переданные символы сообщения восстанавливаются путем независимого сравнения выделенных квадратурных составляющих принимаемого сигнала с порогами в двух многопороговых решающих устройствах. Если log₂ М является четным числом, то структура демодулятора оптимальна в смысле критерия максимального правдоподобия. При нечетном количестве битов, приходящихся на символ сообщения, сигнальные созвездия пересекаются и их сигнальные точки могут принадлежать одной и той же прямоугольной сетке. Исключение составляет случай М= 8.

Рисунок 5.84 - Сигнальные созвездия прямоугольной формы КАМ Сигналов

Рисунок 5.85 - Структурная схема когерентного демодулятора КАМ сигналов

5.24 Демодуляторы многопозиционной частотной манипуляции

Когерентная демодуляция ортогональных ЧМП сигналов может быть осуществлена с помощью многоканального корреляционного демодулятора, структурная схема которого изображена на рисунке 5.86.

Рисунок 5.86 - Структурная схема когерентного демодулятора М-позиционных ЧМП сигналов

Этот демодулятор является оптимальным в смысле критерия максимального правдоподобия. Каждый канал демодулятора представляет собой последовательное соединение перемножителя, осуществляющего перемножение входного сигнала на гармонический опорный сигнал Sj(t)=Acos2л(/ соответствующей частоты, и интегратор со сбросом, выполняющий интегрирование произведения в течение интервала времени T_s.

Фактически каждый канал представляет собой вычислитель коэффициента Фурье, а когерентный демодулятор в целом анализатор Фурье, производящий Фурье- анализ реализаций входного сигнала длительностью T_s.

Поэтому в качестве когерентного демодулятора ЧМ сигналов можно использовать цифровой Фурье-процессор, реализующий один из алгоритмов быстрого преобразования Фурье (БПФ-процессор) [22]. Применение БПФ-процессора позволяет отчасти решить проблему сложности реализации многоканального когерентного демодулятора ортогональных ЧМ сигналов.

Структурная схема оптимального (в смысле критерия максимального правдоподобия) некогерентного демодулятора ЧМ сигналов изображена на рисунке 5.87. Схема является многоканальной. Каждый канал содержит полосовой согласованный фильтр, настроенный на соответствующую частоту, и детектор огибающей. Отсчеты огибающих в оптимальные моменты времени сравниваются между собой, и решение выносится в пользу того канала, на выходе которого огибающая в моменты отсчета достигает максимального значения. Некогерентный демодулятор ЧМ сигналов может быть также построен на базе цифрового Фурье-процессора или процессора использующего двойное ЛЧМ-преобразование [23,24].

Рисунок 5.87 - Структурная схема некогерентного демодулятора М-позиционных ЧМП сигналов

Демодуляция МЧС сигнала может быть осуществлена с помощью когерентного демодулятора, изображенного на рисунке 2.58. Демодулятор содержит два квадратурных канала, состоящих из перемножителя, интегратора со сбросом и решающего устройства (знакового компаратора). Каждый канал, по существу, реализует оптимальный алгоритм приема двух противоположных сигналов синусоидальной формы. Время интегрирования в интеграторах равно 2Т_Ь. Характеристики помехоустойчивости при когерентной демодуляции МЧС сигналов и КФМ сигналов оказываются одинаковыми. Некоторые дополнительные энергетические потери могут возникать, если используется относительное кодирование символов передаваемого сообщения. Эти потери практически такие же, как и при когерентной демодуляции сигналов с относительной квадратурной фазовой манипуляцией. Если учесть свойство непрерывности фазы МЧС сигнала, то для увеличения помехоустойчивости приема можно воспользоваться алгоритмом максимального правдоподобия Витерби. [25].

Рисунок 5.88 - Структурная схема когерентного демодулятора МЧС сигналов

С другой стороны, если МЧС сигнал рассматривать как частный случай сигнала с двоичной частотной модуляцией, то можно использовать алгоритм когерентной демодуляции с посимвольными решениями через каждые Т_ь секунд. В этом случае энергетические потери по сравнению с оптимальным алгоритмом когерентной демодуляции будут равны 3 дБ.

Поскольку МЧС сигнал относится к классу ЧМП сигналов, то для его демодуляции могут быть использованы некогерентные алгоритмы. Наиболее простой из них реализуется в виде последовательно включенных амплитудного ограничителя, частотного дискриминатора и интегратора со сбросом. Другие основаны на оценке набега фазы (или некоторой функции от набега фазы) за определенный интервал времени и сравнении с порогом. Длительность интервала анализа набега фазы, как правило, не превышает 2Т_Ь. На рисунке 5.89 приведена структурная схема некогерентного демодулятора МЧС сигнала с согласованными фильтрами (СФ), реализующего автокорреляционный алгоритм с задержкой на 2Т_Ь. В этой схеме сигнал с выхода сумматора пропорционален cos[?O(2Т_Ь)] и используется для восстановления символов передаваемого сообщения с помощью знакового компаратора.

Рисунок 5.89 - Структурная схема некогерентного демодулятора МЧС сигналов

Энергетические потери при демодуляции МЧС сигнала с помощью частотного дискриминатора составляют 3,6 дБ по отношению к когерентной демодуляции и 6,6 дБ по отношению к оптимальной когерентной демодуляции. Энергетические потери при некогерентной демодуляции с автокорреляционным преобразованием оцениваются значением, характерным для аналогичного алгоритма демодуляции ОКФМ сигналов.

Для демодуляции ГМЧС сигнала могут быть использованы те же самые алгоритмы, что и для демодуляции МЧС сигнала: когерентные и некогерентные. При когерентной демодуляции может быть использована квадратурная схема, изображенная на рисунке 5.88, где интеграторы со сбросом заменяются квазисогласованными фильтрами нижних частот, а генератор опорных сигналов формирует квадратурные составляющие на частоте несущей cos2рf₀t и sin2рf₀t.

В результате перемножения принимаемого ГМЧС сигнала

(5.46)

с опорными и последующей низкочастотной фильтрации выделяются квадратурные составляющие

(5.47)

В моменты отсчета формируются сигналы

k=1,2,..., (5.48)

k = 1,2,…,

где- составляющие межсимвольной интерференции.

В знаковых компараторах решения выносятся в соответствии со следующими правилами:

(5.49)

(5.50)

Поскольку в квадратурных составляющих и демодулируемого сигнала уровень межсимвольной интерференции оказывается заметно ослабленным по сравнению с ее уровнем в модулирующем сигнале после предмодуляционной фильтрации, то алгоритмы когерентной демодуляции обеспечивают лучшие характеристики помехоустойчивости по сравнению с некогерентными.

При демодуляции ГМЧС сигнала с помощью частотного дискриминатора выделяется сигнал, пропорциональный производной фазы

(5.51)

Отсчеты обычно осуществляются в моменты времени, соответствующие максимальному раскрыву глазковой диаграммы. Обычно они выбираются в середине интервала времени Т_ь. Поэтому

(5.52)

Из (5.52) следует, что демодулированный сигнал в момент отсчета содержит полезную составляющую и составляющие межсимвольной интерференции, причем соотношение их уровней не зависит от точности установки индекса модуляции. Это является одним из основных преимуществ алгоритма некогерентной демодуляции с помощью частотного дискриминатора.

Литература к первой части

Алексеенко А.Г. и др. Применение прецизионных аналоговых микросхем.-М.: Радио и связь, 1985.-224 с.

Атаев Д.И., Болотников В.А. Аналоговые интегральные микросхемы для бытовой радиоаппаратуры.-М.: Изд-во МЭИ, ПКФ «Печатное дело», 1992.-240 с.

Богданович М.И. Цифровые интегральные микросхемы.-Мн.: Беларусь, 1991.-493 с.

Верзунов М.В. Однополосная модуляция в радиосвязи.-М.: Воениздат, 1972.-296 с.

Горошков Б.И. Элементы радиоэлектронных устройств.-М.: Радио и связь, 1988.-176 с.

Горошков Б.И. Радиоэлектронные устройства.-М.: Радио и связь, 1984.-400 с.

Емельянов Г.А., Шварцман В.О. Передача дискретной информации.- -М.: Радио и связь, 1982.

Жуховицкий Б.Я. Сигналы телемеханики и их преобразования.-М.: Энергия, 1963.-95 с.

Зюко А.Г. и др. Теория передачи сигналов: Учебник для вузов.-М.: Связь, 1980.-288 с.

Игнатов В.А. Теория информации и передачи сигналов: Учебник для вузов.-М.: Сов.радио, 1979.-280 с.

Ильин В.А. Телеуправление и телеизмерение: Учеб. Пособие для вузов.-3-е изд.-М.: Энергоиздат, 1982.-560 с.

Макаров В.А. Теоретические основы телемеханики.-Л.:Изд. ЛГУ, 1974.-287 с.

Мановцев А.П. Основы теории радиотелеметрии.-М.: Энергия, 1973.-592 с.

Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники.-М.: Радио и связь, 1990.

Мэндл М. 200 избранных схем электроники.-М.: Мир, 1980.

Пенин П.И., Филиппов Л.И. Радиотехнические системы передачи информации: Учеб. пособие для вузов.-М.: Радио и связь, 1984.-256 с.

Сорока Н.И., Кривинченко Г.А. Лабораторный практикум по курсу “Телемеханика”. Часть 1. Методы преобразования телемеханической информации.-Мн.: МРТИ, 1986.-50 с.

Темников Ф.Е. и др. Теоретические основы информационной техники.-М.: Энергия, 1979.-512 с.

Тепляков И.М. и др. Радиосистемы передачи информации.-М.: Радио и связь, 1982.-264 с.

Тутевич В.Н. Телемеханика: Учеб. пособие для студентов вузов.-М.: Высш.шк., 1985.-423 с.

Фельдбаум А.А. и др. Теоретические основы связи и управления.-М.: Физматгиз, 1963.-932 с.

Горанин М.В. Системы и сети передачи информации / М.В. Гаранин, В.И. Журавлев, С.В. Кунегин.-М.: Радио и связь, 2001.

Маковеева М.М. Системы и средства связи с подвижными обектами / М.М. Маковеева, Ю.С. Шинаков.-М.: Радио и связь, 2002.

Журавлев В.И. Методы модуляции-демодуляции радиосигналов при передаче цифровых сообщений: Учеб. пособие.-М.: МТУСН, 2000. - 110с.

Прокис Дж. Цифровая связь: Пер. с англ / Под ред. Д.Д.Кловского.-М.: Радио и связь, 2000.-800с.

Крекрафт Д. Аналоговая электроника. Схемы, системы, обработка сигналов.-М.: Изд-во Техносфера. - 2005.-358с.

Нефедов В.Н. Основы радиоэлектроники и связи.-М.: - 2009.

Приложение 1

П.1 Общие обозначения устройств телемеханики

При построении условных графических обозначений устройств телемеханик стандартами установления обозначений, которые приведены в таблицах П.1.1-П.1.4

Таблица П.1.1

Для указания направления передачи (приема) сигнала устройствам телемеханики на линии связи помещают квалифицирующие символы передачи (приема) сигнала, приведенные в таблице П.1.2.

Таблица П.1.2

При построении УГО устройств телемеханики внутри общих обозначений в нижнем поле помещают квалифицирующие символы функций, выполняемых данным устройством, приведенные в таблице П.1.3.

Таблица П.1.3

Для указания вида сигнала передачи (приема) внутри общих обозначений устройств телемеханики в верхнем поле помещают квалифицирующие символы рода тока и напряжения или формы импульсов по ГОСТ 2.737 и ГОСТ 2.721.

Для указания вида передаваемой информации используют квалифицирующие символы: (цифровая) и (аналоговая), помещаемые соответственно со стороны ввода или вывода, рядом с условным графическим обозначением.

Примеры построения условных графических обозначений устройств телемеханики приведены в таблице П.1.4.

Таблица П.1.4

Приложение 2

П.2 Эквиваленты стандартизированных терминов на английском языке

1. Телемеханика - Telecontrol

2. Телесигнализация - Teleindication

3. Телеизмерение - Telemetering

4. Телеуправление - Telecommand

5. Двухпозиционное телеуправление - Teleswitching

6. Многопозиционное управление - Teleadjusting

7. Телерегулирование - Teleregulation

8. Телемеханическая сеть - Telecontrol network

9. Телемеханическая система - Telecontrol system

10. Команда телеуправления - Command

11. Групповая команда телеуправления - Group command

12. Циркулярная команда управления - Broadcost command

13. Команда-интсрукция - instruction command (standart command)

14. Оперативная телеинформация - Operational information

15. Служебная телеинформация - Auxiliary information

16. Контролируемый телемеханический пункт - Outstation; Controlled station; Remote station

17. Телемеханический пункт управления - Master station

18. Центральный телемеханический пункт управления - Control centre

19. Радиальная структура телемеханической сети - Multipoint-star configuration

20. Цепочечная структура телемеханической сети - Multipoint-partyline configuration

21. Радиальная- цепочечная структура телемеханической сети - Hybrid configuration (Composite configuration)

22. Кольцевая структура телемеханической сети - Multipoint-ring configuration

23. Частота потери телемеханических сообщений - Rate of residual information loss

24. Вероятность потери телемеханического сообщения - Probability of residual information loss

25. Быстродействие телемеханической системы - Overall response time

26. Время телепередачи - Telecontrol transfer time

Приложение 3

Таблица П.3.2 значений функций Бесселя М от 0 до 20

Размещено на Allbest.ru