CC BY
34
А.Н. Глушков,
кандидат технических наук, доцент
Н.С. Хохлов,
доктор технических наук, профессор
Э.В. Спешилов
УСТРОЙСТВО ФАЗОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ ЧЕТЫРЕХПОЗИЦИОННЫХ ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННЫХ
СИГНАЛОВ
DEVICE OF PHASE SYNCHRONIZATION OF FOUR-POSITIONAL
PHASE-SHIFT KEYED SIGNALS
В статье рассматриваются вопросы обеспечения синхронизации демодуляторов при приеме и обработке четырехпозиционных фазоманипулированных сигналов.
The article deals with the issues of ensuring the synchronization of demodulators during the reception and processing of four-position phase-shift keyed signals.
В задачах приема и обработки радиосигналов важным аспектом является разработка устройств, позволяющих осуществлять высокоскоростную фазовую синхронизацию четырехпозиционных фазоманипулированных сигналов.
В [1] представлен базовый быстрый цифровой алгоритм обработки узкополосных сигналов, на основе которого предлагается реализовать цифровой алгоритм фазовой синхронизации четырехпозиционных ФМн сигналов, аналогичный прототипу, представленному на рис. 1.
На рис. 2 представлена структурная схема разработанного устройства фазовой синхронизации четырехпозиционного ФМн сигнала. В схему базового алгоритма, представленную в [1], введены компараторы К для выделения знаков откликов квадратурных каналов yo и yi, перемножающие устройства ПУ, а также вычитающее устройство ВУ, формирующее аналогично схеме на рис. 1 управляющее воздействие u на генератор, управляемый напряжением (ГУН):
u=yo sign(yi) - yrsign (yo) ,
(1)
где — оператор формирования знака у.
Рис. 1. Схема фазовой синхронизации Костаса для четырехпозиционного ФМн сигнала
Рис. 2. Структурная схема устройства фазовой синхронизации четырехпозиционного ФМн сигнала
Сформированные воздействия и через устройство усреднения УУ поступают на ГУН, таким образом управляя частотой согласно выражению
^ = /о - А X и!_к. (2)
к=0
Отклики уо и у1 квадратурных каналов пропорциональны СОБр + [) и яп(р + [) , вычисление которых осуществляется согласно
Гуо = А • со$((р + [), [У1 = А • вт(р + [),
где ф — сдвиг фаз между опорным и принимаемым сигналами (напряжением ГУН), у — фаза поступающего сигнала, принимающая значения о, Л2, п, 3Л2, а А — постоянный
(3)
Уо =
У1 =1
(4)
(5)
множитель. Для принимаемых значений у отклики уо и у1 квадратурных каналов вычис ляются как
А • соб(^) при щ = 0, -А • s'm(ф) при щ = ж/2, -А • соб(^) при щ = ж, А • s'in(p) при щ = 3ж/2,
А • бш(^) при щ = 0, А • соб(^) при щ = ж/2, - А • бш(^) при щ = ж, -А • соб(^) при щ = 3ж/2. Эти соотношения можно представить в виде
|Уо = А[а • соб(^) - Ь • бш(^)], [у = А[а • бш(^) + Ь • соб(^)],
где а=±1 при Ъ=0 и Ъ=±1 при а=0. Их значения формируются в зависимости от передаваемых символов — значений у. Значение управляющего воздействия и (1) не будет зависеть от того, какие передаются информационные символы а и Ъ. Его зависимость от значения сдвига фаз ф при А=1 представлена на рис. 3.
(6)
Рис. 3. Зависимость управляющего воздействия и от сдвига фаз ф при А=1
Следовательно, величина и (1) будет повторяться с периодичностью п/2, а это приведет к «обратной работе» устройства демодуляции.
Скачкообразное изменение значений управляющего воздействия в зависимости от сдвига фаз обуславливается влиянием компаратора К и при воздействии шума будет неблагоприятным образом сказываться на флуктуации фазы генератора управляемого напряжением.
Чтобы избавиться от указанных особенностей работы устройства, представленного на рис. 2, эта схема была переработана, в результате чего предложена схема фазовой синхронизации четырехпозиционного ФМн сигнала, структура которого представлена на рис. 4.
При обработке принятого фазоманипулированного сигнала основной операцией является устранение фазовой манипуляции, для чего формируется отклик, пропорциональный sin(4у).
Рис. 4. Структурная схема устройства фазовой синхронизации четырехпозиционного ФМн сигнала
Вычисляя значения согласно выражениям
A2
У0У1 =— - Ь>т(2РХ
2
2
У0
■у2 = A2(a2 -¿2)ос8(2р), с учетом, что (а2 - Ь2)2 =1, получим значения управляющего воздействия
A4
u = У0У1 (У2 - У2)= — вю^рУ
Зависимость и(ср) при А=1 показана на рис. 5.
(7)
(8)
(9)
Рис. 5. Зависимость управляющего воздействия и(ф) при А=1
Значения и из (9) так же, как в (1), будут определяться исходя из сдвига фаз между принимаемым и опорным сигналами. Они не будут иметь скачкообразных изменений и не будут зависеть от передаваемых информационных символов.
На рис. 6 представлены результаты статистического имитационного моделирования устройства, показанного на рис. 2. Для моделирования были приняты следующие
значения параметров сигнала: центральная частота сигнала 10=10 МГц и количество обрабатываемых периодов сигнала N=16, А1=1,-10= -100 Гц, ф=0,2 рад, А=0,02 и отношении сигнал/шум И=20 дБ. На рис. 6, а видно, что управляющее воздействие имеет резко изменяющуюся форму, которая обусловлена выражением (1). Синхронное состояние достигается после приема 1500 символов. Среднеквадратическое отклонение флюктуаций фазы равно сгф=0,013 рад. и
2\-
0 500 1000 1500 2000 2300 3000 3500 4000 У
В)
Рис. 6. Результаты статистического имитационного моделирования алгоритма фазовой синхронизации (рис. 2) при 10=10 МГц и N=16, А1=1'-10= -100 Гц, ф=0,2 рад, А=0,02 и отношении сигнал/шум И=20 дБ
На рис. 7. представлены аналогичные рис. 6 зависимости для алгоритма, показанного на рис. 4. Моделирование показывает отсутствие резких изменений управляющего воздействия и значительно меньшее среднеквадратическое отклонение флюктуаций фазы ст<р=0,0077 рад.
Рис. 7. Результаты статистического имитационного моделирования алгоритма фазовой синхронизации (рис. 4) при £э=10 МГц и N=16, АГ=Г-Го= -100 Гц, Ф=0,2 рад, А=0,02 и отношении сигнал/шум И=20 дБ
Таким образом, можно сделать вывод о том, что предложенный цифровой алгоритм и соответствующее ему устройство фазовой синхронизации четырехпозиционных фазоманипулированных сигналов соответствуют классической схеме Костаса, но отличаются от нее алгоритмически и аппаратно.
Статистическое имитационное моделирование свидетельствует о высокой вычислительной эффективности данного алгоритма.
ЛИТЕРАТУРА
1. Basic Algorithm for the Noncoherent Digital Processing of the Narrowband Radio Signals / A. N. Glushkov [et al.] // Applied Mathematical Sciences. — 2015. — Vol. 9, no. 95.
— P. 4727—4735.
2. Информационные технологии в радиотехнических системах : учебное пособие / под ред. И. Б. Федорова. — Изд. 3-е, перераб. и доп. — М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. — 846 с.
3. Свириденко С. С. Основы синхронизации при приеме дискретных сигналов. — М. : Связь, 1974. — 143 с.
4. Фомин А. И. Синхронизация цифровых радиосистем передачи информации. — М. : САЙНС-ПРЕСС, 2008. — 80 с.
5. Системы фазовой синхронизации / под ред. В. В. Шахгильдяна, Л. Н. Белюстиной. — М. : Радио и связь, 1982. — 288 с.
6. Цифровые системы фазовой синхронизации / под ред. М. И. Жодзишского. — М. : Советское радио, 1980. — 208 с.
7. Алгоритм цифровой обработки узкополосного радиосигнала / А. Н. Глушков [и др.] // Радиотехника. — 2014. — № 3. — С. 39—41.
REFERENCES
1. Basic Algorithm for the Noncoherent Digital Processing of the Narrowband Radio Signals / A. N. Glushkov [et al.] // Applied Mathematical Sciences. — 2015. — Vol. 9, no. 95.
— P. 4727—4735.
2. Informatsionnyie tehnologii v radiotehnicheskih sistemah : uchebnoe posobie / pod red. I. B. Fedorova. — Izd. 3-e, pererab. i dop. — M. : MGTU im. N. E. Baumana, 2011. — 846 s.
3. Sviridenko S. S. Osnovyi sinhronizatsii pri prieme diskretnyih signalov. — M. : Svyaz, 1974. — 143 s.
4. Fomin A. I. Sinhronizatsiya tsifrovyih radiosistem peredachi informatsii. — M. : SAYNS-PRESS, 2008. — 80 s.
5. Sistemyi fazovoy sinhronizatsii / pod red. V. V. Shahgildyana, L. N. Belyustinoy. — M. : Radio i svyaz, 1982. — 288 s.
6. Tsifrovyie sistemyi fazovoy sinhronizatsii / pod red. M. I. Zhodzishskogo. — M. : Sovetskoe radio, 1980. — 208 s.
7. Algoritm tsifrovoy obrabotki uzkopolosnogo radiosignala / A. N. Glushkov [i dr.] // Radiotehnika. — 2014. — # 3. — S. 39—41.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Глушков Алексей Николаевич. Доцент кафедры инфокоммуникационных систем и технологий. Кандидат технических наук, доцент.
Воронежский институт МВД России. E-mail: [email protected]
Россия, 394065, Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-23.
Хохлов Николай Степанович. Профессор кафедры инфокоммуникационных систем и технологий. Доктор технических наук, профессор.
Воронежский институт МВД России. E-mail: [email protected]
Россия, 394065, г. Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-30.
Спешилов Эдуард Вадимович. Адъюнкт. Воронежский институт МВД России. E-mail: [email protected]
Россия, 394065, Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-27.
Glushkov Alexej Nikolaevich. Assistant Professor of the chair of Communication Systems and Technologies. Candidate of Sciences (Technical), Assistant Professor.
Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia. E-mail: [email protected]
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-23.
Khokhlov Nikolay Stepanovich. Professor of the chair of Communication Systems and Technologies. Doctor of Sciences (Technical), Professor.
Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia. E-mail: [email protected]
Work address: Russia, 394053, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-30.
Speshilov Eduard Vadimovich. Post-graduate cadet. Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia. E-mail: [email protected]
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-27.
Ключевые слова: синхронизация; фазоманипулированный сигнал; демодуляция; помехоустойчивость.
Key words: synchronization; phase-shift keyed signal; demodulation; noise immunity. УДК 621.391
