CC BY
121
А.В. Оболонская
АНАЛИЗ ДЕМОДУЛЯТОРОВ ЧАСТОТНО-МАНИПУЛИРОВАННЫХ
СИГНАЛОВ
THE ANALYSIS OF THE DEMODULATION DEVICES OF FREQUENCY-MANIPULATED SIGNALS
Представлены результаты проведённого анализа устройств демодуляции ча-стотно-манипулированного сигнала.
The results of the analysis of the demodulation devices of frequency-manipulated signals are presented.
Введение.
В настоящее время в подразделениях Министерства внутренних дел Российской Федерации широкое применение находят системы радиосвязи, обеспечивающие передачу сигналов с частотной манипуляцией и частотной модуляцией, в том числе радиостанции стандартов APCO 25, dPMR. В связи с этим задача разработки устройств цифровой демодуляции сигналов и повышения их помехозащищенности и быстродействия является актуальной. Целью данной статьи является анализ демодуляторов частотно-манипулированных сигналов.
Основная часть.
Существуют различные подходы к решению задачи повышения помехоустойчивости систем радиосвязи, представленные на рис. 1.
Использование частотной модуляции позволяет принимать и обрабатывать сигналы, начальные параметры которых неизвестны. В частном случае частотной манипуляции модулирующий сигнал a(t) отображает два дискретных значения (1 или 0).
В данной статье анализируются следующие демодуляторы частотно-манипулированного сигнала:
1. Фильтрового типа.
2. Квадратурный автокорреляционный цифровой демодулятор ЧМн-сигналов.
3. Демодулятор частотно-манипулированного сигнала на цифровом кольце ФАПЧ для каналов с доплеровским сдвигом частоты.
182
4. Демодулятор частотно-манипулированных сигналов, реализующий быстрый цифровой алгоритм обработки сигналов.
На рис. 2 представлена структурная схема цифрового демодулятора ЧМн-сигналов фильтрового типа [1]. Демодулятор частотно-манипулированного сигнала фильтрового типа содержит два полосовых цифровых фильтра (ПЦФ). Один фильтр настроен на частоту сигнала, соответствующую передаче символа 1, а другой — на частоту сигнала, соответствующую передаче символа 0. С выходов фильтров сигналы поступают на цифровые амплитудные детекторы (ЦАД), далее на сумматор и на цифровой фильтр нижних частот (ЦФНЧ). С выхода цифровой фильтр нижних частот сигнал поступает на знаковый компаратор (ЗК), на выходе которого формируется продетектированный сигнал х(1).
Рис. 1. Виды обработки сигналов
Рис. 2. Структурная схема цифрового демодулятора ЧМн-сигналов фильтрового типа
Детекторная характеристика у(0) такого демодулятора приведена на рис. 3. Ее форма определяется формой амплитудно-частотной характеристики обоих полосовых цифровых фильтров и описывается выражением
где 0 — нормированная частота, Ао — амплитуда входного частотно-ма-нипулированного сигнала, Кп (в), Кк (в) — АЧХ фильтров позитива и негатива (1 и 0).
Рис. 3. Детекторная характеристика цифрового демодулятора ЧМн-сигналов фильтрового типа.
На рис. 4. приведена структурная схема квадратурного автокорреляционного цифрового демодулятора частотно-манипулированного сигнала [1]. Он содержит два преобразователя Гильберта ПГ1 и ПГ2, две линии задержки на время:
где Тпг2= 0,5КпгТд — время задержки сигналов в ПГ2, а общее время задержки сигнала Тз определяется из условия получения наибольшего различия уровней сигнала на выходе цифрового фильтра нижних частот при приеме колебания с частотами негатива и позитива (0 и 1).
Рис. 4. Структурная схема квадратурного автокорреляционного цифрового
демодулятора ЧМн-сигналов
Если на входе демодулятора действует частотно-манипулированный сигнал, то на выходах преобразователя Гильберта ПГ1 получим сигнал в спектре:
х±(0 = А0 соя(шсГ + Фо)'хо(0 = А0 + (р0), (3)
где Юс= Юо+А Год — для ЧМн-сигнала.
Тогда на выходах ЛЗ1 и Л32 получим
= Н0соз[(шс{Е-т3) + = Л0зт[(ыс(Г-т3) + (4)
В соответствии со схемой, представленной на рис. 4, можно сделать вывод, что на входе цифровой фильтр нижних частот повторяет знак манипулирующего сигнала a(t).
Для повышения помехоустойчивости сигнал пропускают через цифровой фильтр нижних частот с заданной частотой среза и затем подают на знаковый компаратор, на выходе которого формируется манипулирующее сообщение a(t).
Приведенные на рис. 2 и 4 схемы демодуляторов частотно-манипулированного сигнала не могут работать в каналах с эффектом Доплера, если доплеровский сдвиг спектра превышает девиацию частоты Аюд ЧМн-сигнала.
От этого недостатка свободен демодулятор частотно-манипулированного сигнала на цифровом кольце ФАПЧ, структурная схема которого представлена на рис. 5 [1].
В его состав входит преобразователь Гильберта (111) на входе, управляемый ко-синусно-синусоидный генератор (УКСГ), сумматор, цифровой фильтр нижних частот с заданной частотой среза, знаковый компаратор и цепь управления частотой УКСГ. В эту цепь входит прямая ветвь с множителем С и интегрирующая цепь с множителем В = (0,1 - 0,01)С на входе интегратора, который подключен к поступающему на его вход сигналу только в то время, когда ключ замкнут. Управление ключом осуществляется сигналом с выхода цифрового одновибратора. Этот одновибратор запускается отрицательными импульсами с выхода выделителя фронтов (ВФ) продетектированного сигнала и замыкает ключ К на время ^то.
+ 1 i ЦФНЧ ЗК
Вых.
Нет
Рис. 5. Структурная схема демодулятора ЧМн-сигналов на цифровом кольце ФАПЧ для каналов с доплеровским сдвигом частоты
На рис. 6 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип управления ключом К.
а^ 0 "бУ 0 ву Ю
Л Л
"ШШ
\
Т<т0 Т<т0
Рис. 6. Временные диаграммы, поясняющие принцип управления ключом в демодуляторе ЧМн-сигналов на цифровом кольце ФАПЧ
Когда продетектированный сигнал изменяет знак, то произведение задержанного на один такт и очередного отсчета будет отрицательно. По данному условию запускается ЦОВ и замыкается ключ К на время Т. В течение этого времени в интеграторе происходит накопление сигнала одного знака. При следующем запуске ЦОВ в интеграторе будет происходить накопление сигнала другого знака, так как произошла смена знака продетектированного сигнала, что и вызвало запуск ЦОВ. Если средняя частота юо частотно-манипулированного сигнала номинальна, то заштрихованные на рис. 6 площади будут одинаковы и результат их интегрирования будет равен нулю. Если частота юо отклонится от своего номинального значения, то заштрихованные площади на рис. 6 будут разными и на выходе интегратора появится сигнал, который по величине и знаку будет соответствовать отклонению частоты юо от номинального значения. Этот сигнал поступит на вход управления частотой УКСГ для создания заданного отклонения частоты юо. Так работает система ФАПЧ при приеме ЧМн-сигнала с произвольным соотношением единиц и нулей в передаваемом сообщении.
При исчезновении сигнала в момент доплеровского сдвига демодулятор может оказаться неработоспособным, поскольку сигнал не попадает в полосу удержания ФАПЧ. Для устранения этого недостатка в кольцо ФАПЧ демодулятора вводится схема поиска. Она содержит генератор пилообразного напряжения, которое поступает на вход управления частотой УКСГ при отсутствии синхронизма в кольце ФАПЧ. В режиме синхронизации в кольце ФАПЧ генератор выключается.
В настоящее время часто применяются быстрые цифровые алгоритмы обработки сигнала, требующие минимального числа простых арифметических операций на каждый обрабатываемый отсчет сигнала. При этом также снижаются требования к скоростным характеристикам вычислителя, падает потребляемая им мощность. Структурная схема демодулятора ЧМн-сигналов, реализующего быстрый цифровой алгоритм обработки сигналов, представлена на рис. 7 [2].
В структурную схему входят: аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), вы-читатель (ВЫЧ) — вычитает значение 2 отсчетов сигнала, многоразрядный регистор сдвига (МР) — выполняет роль запоминающего устройства, сумматор (СУМ) — складывает предыдущее значение отсчета с поступившим, квадратурный вычислитель (КВ) — вычисляет значение отклика сигнала, вычисляющее устройство (ВУ), в котором происходит принятие решения о значении принятого сигнала.
s(t)
АДМ2
АЦП
Т
ВЫЧ1 1С
&
МР4
СУМ11 А
СУМ12 А
^ СУМ1П
а
МР1П
МР12
МР11
ВЫЧ0
Г
МР01 ▼
КВ
СУМ01
в
МР02
СУМ02
МР02 т
СУМ0П
АДМ1
АЦП
Т
c2(t)
ВЫЧ1 1С
&
МР4
СУМ11 А
СУМ12 А
СУМ1П
а
МРш
МР12
МР11
ВЫЧ0
Г
МР01 ▼
КВ
СУМ01
и
МР02 т
СУМ02
МР02
-к.
СУМ0П
z1
ВУ
z2
z
Рис. 7. Структурная схема демодулятора частотно-манипулированных сигналов, реализующего быстрый цифровой алгоритм обработки сигналов
Выводы.
Проведя анализ представленных в статье демодуляторов частотно-манипулированных сигналов, можно сделать следующие выводы:
1. Демодулятор частотно-манипулированного сигнала фильтрового типа прост в реализации, обеспечивает быстродействие обработки сигнала ввиду небольшого количества операций демодуляции сигнала, но существенным недостатком такого демодулятора является то, что данное устройство не обеспечивает достаточной точности восстановления демодулированного сигнала.
2. Квадратурный автокорреляционный цифровой детектор частотно-мани-пулированного сигнала обеспечивает более высокую помехоустойчивость вследствие наличия в его структуре цифрового фильтра нижних частот, который формирует манипулирующий сигнал. Однако демодулятор такого типа не может работать в каналах с эффектом Доплера, если доплеровский сдвиг спектра превышает девиацию частоты ча-стотно-манипулированного сигнала.
3. Недостатки, указанные в пунктах 1 и 2, устранены в демодуляторе частотно-манипулированных сигналов на цифровом кольце ФАПЧ для каналов с доплеровским сдвигом частоты, который обеспечивает высокую помехоустойчивость. Однако такой демодулятор имеет более сложную реализацию.
4. В отличие от перечисленных выше устройств демодуляторы, построенные на основе быстрых цифровых алгоритмов, не имеют указанных недостатков, обладают высокой скоростью обработки принимаемых сигналов, высокой помехоустойчивостью, простотой аппаратной реализации, что обеспечивает малые масса-габаритные показатели и низкое энергопотребление.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лайонс Р. Цифровая обработка сигналов. — М. : Бином Пресс, 2006. — 656 с.
2. Глушков А. Н., Литвиненко В. П., Шафоростова А. А. Аппаратная реализация цифрового демодулятора «в целом» кодированных фазоманипулированных сигналов Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2016. — Т. 12. — №2. — С. 62—64.
3. Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Книга вторая. — М. : Советское радио, 1968. — 504 с.
4. Тихонов В. И. Статистическая радиотехника. — М. : Сов. радио, 1966. — 677 с.
5. Круг П. Г. Процессоры цифровой обработки сигналов : учебное пособие. — М. : Издательство МЭИ, 2001. — 128 с.
6. Васильев В. И., Хуанг Тху Ха. Турбокод — основные характеристики, особенности применения и моделирования // Вестник ВГУ. Серия: Физика, математика. — 2004. — № 2. — С. 8—15.
7. Блейхуд Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов. — М. : Мир, 1989. — 448 с.
REFERENCES
1. Layons R. Tsifrovaya obrabotka signalov. — M. : Binom Press, 2006. — 656 s.
2. Glushkov A. N., Litvinenko V. P., Shaforostova A. A. Apparatnaya realizatsiya tsifrovogo demodulyatora «v tselom» kodirovannyih fazomanipulirovannyih signalov // Vest-nik Voronezhskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. — 2016. — T. 12. — #2. — S. 62—64.
3. Levin B. R. Teoreticheskie osnovyi statisticheskoy radiotehniki. Kniga vtoraya. — M. : Sovetskoe radio, 1968. — 504 s.
4. Tihonov V. I. Statisticheskaya radiotehnika. — M. : Sov. Radio, 1966. — 677 s.
5. Krug P. G. Protsessoryi tsifrovoy obrabotki signalov : uchebnoe posobie. — M. : Izdatelstvo MEI, 2001. — 128 s.
6. Vasilev V. I., Huang Thu Ha. Turbokod — osnovnyie harakteristiki, osobennosti prime-neniya i modelirovaniya // Vestnik VGU. Seriya: Fizika, matematika. — 2004. — # 2. — S. 8—15.
7. Bleyhud R. Byistryie algoritmyi tsifrovoy obrabotki signalov. — M. : Mir, 1989. —
448 s.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ
Оболонская Алёна Владимировна. Адъюнкт. Воронежский институт МВД России. E-mail: alena.obolonskaj [email protected]
России, 394065, Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-23.
Obolonskaya Alena Vladimirovna. Post-graduate cadet. Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia. E-mail: alena.obolonskaj [email protected]
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-23.
Ключевые слова: демодулятор; частотная демодуляция; частотно-манипу-лированный сигнал.
Key words: demodulator; frequency demodulation; frequency-manipulated signal.
УДК 621.391
ИЗДАНИЯ ВОРОНЕЖСКОГО ИНСТИТУТА МВД РОССИИ
Моделирование коллективных действий сотрудников органов внутренних дел : монография / В. В. Меньших, А. Ф. Самороковский, Е. Н. Середа, В. В. Горлов. - Воронеж : Воронежский институт МВД России, 2017. - 236 с.
Монография содержит анализ подходов к моделированию и моделей коллективных действий сотрудников органов внутренних дел при возникновении чрезвычайных обстоятельств, обучения коллективным действиям, описание комплекса программ системы поддержки принятия решений в подразделениях органов внутренних дел при возникновении чрезвычайных обстоятельств и программных средств, используемых для моделирования.
Монография может быть использована для разработки планов действий ОВД при возникновении чрезвычайных обстоятельств, проведения тактико-специальных, командно-штабных учений, штабных тренировок и тактико-строевых занятий.
