Радиотехника и связь
Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения
Лебеденков А.В., аспирант Научно-производственного центра «Спурт»
ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОВОГО ДЕМОДУЛЯТОРА ШИРОКОПОЛОСНОГО ШУМОПОДОБНОГО РАДИОСИГНАЛА
Радиосвязь уже долгое время используется, как способ организации соединений между абонентами. Применение традиционных узкополосных систем передачи информации существенно ограничиваются проблемами, связанными с помехоустойчивостью, распределением частот, относительно низкой пропускной способностью и т.п. В связи с этим, а также благодаря чрезвычайно бурному развитию элементной базы, все более широкое применение находят системы, использующие широкополосные шумоподобные сигналы (ШПС). При использовании такого вида систем можно добиться высокой скорости передачи информации, повышенной помехоустойчивости, высокой конфиденциальности передачи данных. Такие возможности появляются благодаря двум эффектам расширения спектра. Эффект первый — рассредоточение энергии сигнала в пределах очень большой полосы частот, что соответственно снижает плотность мощности в любой точке спектра. Рассредоточение энергии позволяет опустить сигнал ниже уровня шума. Стандартный узкополосный приемник не может распознать за шумами такой сигнал, в то время как тот может быть принят специальным приемником. Второй полезный эффект расширения спектра заключается в том, что специальный приемник может отделить полезный сигнал от мешающего, даже намного более сильного, чем полезный. Узкополосные сигналы помехи подавляются в процессе обработки.
Во всех системах радиосвязи велика роль демодуляторов, так как именно они обеспечивают высокую степень помехоустойчивости. В настоящее время основным направлением совершенствования демодуляторов является разработка алгоритмов, позволяющих осуществить переход от аналогового сигнала к цифровому на промежуточной частоте [2]. Это направление возникло вследствие того, что применение цифровой обработки сигналов предоставляет существенные преимущества, по сравнению с аналоговой. Основные достоинства такого подхода:
— высокая точность обработки, которую можно повышать до, практически, любого необходимого значения, путём усложнения аппаратуры и/или программы;
— высокая стабильность характеристик за счёт отсутствия свойственных аналоговым схемам параметрических уходов;
— возможность запоминания и задержки на значительное время больших массивов информации и точного её воспроизведения;
— возможность реализации сложных методов приёма сигналов;
— высокая надёжность и степень интеграции; удобство сопряжения с ЭВМ, автоматизации проектирования и эксплуатации;
— существенное снижение массогабаритных показателей аппаратуры;
— адекватное цифровое моделирование.
До недавнего времени, такая задача было неразрешима. Сейчас же, с помощью современных цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) и программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), возможна реализация очень сложных алгоритмов цифровой обработки сигналов. Так при использовании ПЛИС для аппаратной реализации демодуляторов тактовая частота входного сигнала может достигать десятков мегагерц.
В данной статье рассматривается принцип построения цифрового демодулятора широкополосных шумоподобных радиосигналов, имеющих кадровую структуру и модулированных по фазе методом двоичной фазовой манипуляции.
Один из возможных вариантов структуры информационного кадра представлен на рис.1. Начальная часть кадра (преамбула) предназначена для обнаружения кадра и тактовой синхронизации и представляет собой последовательность бит одного значения. Следующим элементом кадра является маркер. Он представляет собой случайную последовательность единиц и нулей и предназначен для целей опознавания и обозначения начала информационной части кадра [4]. В поле информации может быть внесена некоторая избыточность с целью обеспечения дополнительной помехоустойчивости. В данном примере применяются последовательности Уолша. Это ортогональные последовательности, которые образуются на основе строк матрицы Адамара. Для введения избыточности информацию разбивают на блоки по т бит и каждый блок заменяют на последовательность Уолша длиной 2т в соответствии с его содержанием. Модулирующий шумоподобный сигнал получается умножением кадровой последовательности бит на псевдослучайную последовательность (ПСП). Для преамбулы и маркера используется периодическая структура из нескольких коротких ПСП, в то время как для информационной части генерируется одна длинная ПСП.
ЙРЕАМБУЛА МАРКЕР
ИНФОРМАЦИОННАЯ ЧАСТЬ
иски. .00000
о1101ои.о|мт|
С100Ш101. ВШООАИ
Последовательность Уолша длиной 2я 00110011 — 01011010 тп бит информации абонента 010 101
Рис.1. Формат информационного кадра
На рис. 2 представлена схема демодулятора шумоподобного сигнала, имеющего структуру кадра, описанную выше. Из рисунка видно, что демодулятор состоит из аналоговой и цифровой части.
Рис.2. Структурная схема демодулятора
В аналоговой части входной радиосигнал усиливается и с помощью синхронного детектора, выполненного на аналоговых перемножителях и ФНЧ, переносится на более низкую промежуточную частоту. В настоящее время существует достаточно много аналоговых микросхем, которые объединяют в одном корпусе узлы, выполняющие вышесказанные операции. Например, для такого аналогового преобразования применима микросхема HFA3766 от фирмы Intersil. В ее состав входит регулируемый усилитель, два перемножителя и два ФНЧ.
Далее сигнал подвергается преобразованию в аналого-цифровых преобразователях (АЦП). После чего уже цифровой сигнал поступает на вход комплексного квадратурного детектора, который переносит спектр сигнала на нулевую частоту с образованием синфазной I и квадратурной Q составляющими.
Первой операцией при приеме кадра является операция его обнаружения. Она реализуется в блоках обнаружения преамбулы и маркера.
Рис.3. Блок обнаружения преамбулы
Оптимальным обнаружителем преамбулы является дискретно-согласованный фильтр (ДСФ) [3]. Он представляет собой КИХ-фильтр, у которого частотная характеристика в точности совпадает с частотным спектром входного сигнала. Иными словами, коэффициентами фильтра являются биты кодовой последовательности (ПСП), которая использовалась в передатчике при расширении спектра. Таким образом, ДСФ вычисляет корреляционную функцию (КФ) входного сигнала и его копии, хранящейся в приемнике, и при их совпадении выдает большое значение (отклик) КФ. Структурная схема блока обнаружения преамбулы изображена на рис.3. Блок состоит из двух ДСФ (отдельно для составляющих I и Q), генератора опорной ПСП, устройства вычисления модуля результатов корреляции и порогового устройства. В пороговом устройстве модуль сравнивается с порогом обнаружения преамбулы, и при его превышении фиксируется факт первичного обнаружения преамбулы, что сопровождается соответствующим импульсом.
Ci>jKtc
Рис.4. Блок обнаружения маркера
Обнаружение маркера также осуществляется корреляционными методами [1]. Однако в этом случае производится последовательное интегрирование входного сигнала, умноженного на опорную ПСП (рис.4). Начальный момент процесса интегрирования определяется импуль-
сом обнаружения преамбулы, а конечный — длиной маркера. Модуль результатов интегрирования сравнивается с порогом обнаружения маркера, и превышение этого порога свидетельствует об обнаружении маркера, что также сопровождается соответствующим импульсом.
Рис.5. Блок извлечения информации
После успешного прохождения этапов обнаружения и достижения кадровой синхронизации начинается процесс обработки сигнала в блоке извлечения информации. Как и в случае обнаружения маркера, в блоке производится последовательное интегрирование входного сигнала. Однако, как видно из рис. 5, данный блок содержит в себе 2т интеграторов. При этом входной сигнал умножается не только на опорную ПСП, но и для каждого интегратора на одну из последовательностей Уолша. Начальный этап интегрирования задается импульсом обнаружения маркера, а сброс интеграторов происходит каждый раз после накопления 2т бит Уолша. Решение от том, какие т бит информации были переданы зависит от того, какой из интеграторов дал максимальный выход.
Рис.6. Синтезатор тактовой частоты
Рис.7. Синтезатор несущей частоты
Все этапы обработки сигнала сопровождаются тактовой синхронизацией и синхронизацией несущей частоты. Для этого демодулятор содержит в себе два замкнутых кольца фазовой автоподстройки. В их состав входят блок синхронизации и синтезаторы тактовой и несущей частот. Блок синхронизации из принимаемого сигнала формирует сигнал ошибки, который управляет цифровыми синтезаторами. В данной реализации демодулятора применяются синтезаторы частот, представляющие собой генераторы с числовым программным управлением. Их основа - фазовый аккумулятор (рис. 6 и 7), который дает приращение фазы с каждым тактом высокочастотного синхросигнала. Величина приращения определяется кодом номинальной частоты, записанным в один из регистров на входе аккумулятора, и кодом частоты ошибки, которая вычисляется в блоке синхронизации. Когда аккумулятор переполняется, цикл повторяется, что делает процесс непрерывным. Момент переполнения синтезатора тактовой частоты сопровождается импульсом. Частота следования этих импульсов соответствует частоте, код которой определяет приращение фазы. В синтезаторе несущей частоты, старшие разряды выхода аккумулятора подаются на вход адреса поисковой таблицы синуса и косинуса. Таблица представляет собой ПЗУ, у которой каждый адрес соответствует фазовой точке синусоидального сигнала от 0° до 360°. Она хранит соответствующую информацию амплитуды для одного периода сигнала. Следовательно, поисковая таблица преобразует информацию фазового аккумулятора в значение амплитуды сигналов синуса и косинуса [5]. Таким образом, формируются несущая и тактовая частоты, точно соответствующие параметрам входного сигнала.
Поддержание постоянного уровня сигнала на входе системы осуществляет устройство автоматической регулировки усиления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Диксон Р.К. Широкополосные системы: Пе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.