Формирователь Ф формирует прямоугольные посылки выходного сигнала

Рисунок 6.11 - Структурная схема приемника частотной манипуляции

На рисунке 6.12 приведены временные диаграммы сигналов: а – передаваемый первичный сигнал, б – сигнал частотной манипуляции (ЧМн, FSK- Frequency Shift Keying) на выходе передатчика, в – сигнал на входе приемника, г- сигнал на выходе ФНЧ, д – сигнал на выходе формирователя.

Передаваемый сигнал представляет собой последовательность элементарных посылок позитива и негатива длительностью T. Сущность частотной манипуляции состоит в формировании синусоидального колебания частоты позитива при передаче посылки позитива и синусоидального колебания частоты негатива при передаче посылки негатива. Сдвигом частот называется разность частот позитива и негатива

.

Скорость изменения частоты сигнала в процессе манипуляции называется скоростью манипуляции. Скорость манипуляции равна

Период манипуляции составляет 2T, а частота манипуляции равна

Типичный спектр сигнала частотной манипуляции приведен на рисунке 6.13.

В спектре наблюдаются два характерных максимума на частотах позитива и негатива.

На входе приемника действует сигнал, искаженный помехой, поэтому на выходе частотного детектора и ФНЧ сигнал отличается от переданного сигнала в виде последовательности прямоугольных посылок.

Для формирования выходного сигнала используется формирователь элементарных посылок, который вырабатывает постоянное положительное напряжение при положительном входном сигнале и постоянное отрицательное напряжение при отрицательном входном сигнале.

Рисунок 6.12 – Временные диаграммы сигналов ЧМ приемника

Рисунок 6.13 – Спектр сигнала частотной манипуляции

6.3.2. Детектор с линией задержки на цифровых интегральных микросхемах (ИМС)

Схема детектора представлена на рисунке 6.14.

Рисунок 6.14 – Функциональная схема детектора сигнала частотной манипуляции

с цифровой линией задержки на ИМС

В состав детектора входит формирователь, преобразующий синусоидальный сигнал в последовательность прямоугольных импульсов с уровнями логического нуля и логической единицы. Временные диаграммы сигналов на входе и выходе формирователя приведены на рисунке 6.15.

Рисунок 6.15 – Временные диаграммы сигналов на входе и выходе формирователя

С выхода формирователя импульсы поступают на линию задержки, реализованную на D-триггерах. Она задерживает последовательность импульсов на время . За это время сигнал частоты позитива на выходе линии задержки приобретает фазовый сдвиг относительно входного сигнала, равный

.

Сигнал частоты негатива на выходе линии задержки приобретает фазовый сдвиг относительно входного сигнала, равный

.

Сигналы с входа и выхода линии задержки подаются на ключевой фазовый детектор, детекторная характеристика которого показана на рисунке 6.16

Рисунок 6.16 – Детекторная характеристика ключевого фазового детектора

Из характеристики видно, что сигналы позитива и негатива на выходе детектора будут максимально отличаться друг от друга при выполнении условий:

,

где k = 1, 2,..

Таким образом,

.

Из последнего соотношения определим время задержки

. (6.1)

Фазовый сдвиг, вносимый линией задержки на средней частоте сигнала равен

.

Из последнего соотношения с учетом (6.1) определим требуемое значение средней частоты сигнала

.

Требуемое время задержки обеспечивается последовательным включением m D-триггеров, каждый из которых сдвигает сигнал на время, равное периоду тактовой частоты триггера T_T

_.

Тактовая частота триггера должна удовлетворять условию

.

Достоинством детектора является возможность реализации на цифровых ИМС, а недостатком жесткая связь средней частоты сигнала со сдвигом частот, которая, как правило, требует дополнительного преобразования частоты.

Лекция 15. Радиоприем сигналов минимальной частотной манипуляции

Тема 6. Радиоприем дискретных сигналов

6.4. Радиоприем сигналов минимальной частотной манипуляции

6.4.1. Общие сведения о сигналах минимальной и гауссовской минимальной

частотной манипуляции

Частотная манипуляция называется минимальной, если сдвиг частот F_сдв равен частоте манипуляции F_M

.

Достоинством сигнала минимальной частотной манипуляции (МЧМ, MSK – Minimum Shift Keying) является относительно узкий спектр, позволяющий разместить в ограниченном частотном диапазоне большее количество каналов с частотным разделением.

Для увеличения спектральной эффективности путем уменьшения ширины главного лепестка спектра и уровня боковых лепестков в модулятор сигнала МЧМ включают предмодуляционный гауссовский ФНЧ, т.е. ФНЧ, АЧХ которого описывается функцией Гаусса

,

где f_гр – граничная частота ФНЧ при неравномерности в полосе пропускания 3дБ.

Сигнал МЧМ, формируемый с использованием такого фильтра называют сигналом гауссовской МЧМ или GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). Модуляция GMSK применяется в стандартах GSM и DECT.

В англоязычной литературе полосу пропускания гауссовского ФНЧ при неравномерности 3 дБ, равную его граничной частоте f_гр, обозначают символом B (Band – полоса) и используют параметр BT, равный произведению полосы пропускания ФНЧ на длительность элементарной посылки сигнала T. Величина этого параметра определяет ширину спектра сигнала GMSK.

На рисунках 6.17 – 6.19 приведены спектры сигнала GMSK при BT=3, BT=0,5 и BT=0,3 соответственно.

Рисунок 6.17 - Спектр сигнала GMSK при BT = 3

Рисунок 6.18 - Спектр сигнала GMSK при BT =0,5

Рисунок 6.19 - Спектр сигнала GMSK при BT = 0,3

Параметр BT=0.3 применяется в стандарте GSM, а параметр BT=0.5 – в стандарте DECT.

При сдвиге частот, равном частоте манипуляции F_M, девиация частоты равна

,

где v – скорость манипуляции, T – длительность элементарной посылки.

Индекс частотной манипуляции этих сигналов равен

6.4.2. Квадратурный способ формирования сигналов MSK и GMSK

с использованием операции интегрирования

Известно, что аналоговый ЧМ сигнал описывается соотношением

,

где - мгновенная частота, ,

-частота несущей, - нормированный модулирующий сигнал.

В приведенном выражении амплитуда ЧМ сигнала принята равной единице, что не влияет на общность последующих выводов.

После подстановки выражения для мгновенной частоты под знак интеграла и последующего интегрирования получим

где , ,

Обозначим

Учитывая периодичность функций косинуса и синуса, достаточно определить значение мгновенной фазы сигнала в интервале от до Поэтому определим аргумент косинуса и синуса следующим образом:

Тогда

Из приведенных соотношений следует, что для формирования сигнала MSK квадратурным методом необходимо иметь интегратор нормированного модулирующего сигнала, умноженного на , два функциональных преобразователя и , косинусно-синусный генератор несущей, вырабатывающий квадратурные компоненты и , и повышающий преобразователь частоты. Функциональная схема формирователя приведена на рисунке 6.20, а временные диаграммы, поясняющие формирование низкочастотных квадратурных компонент – на рисунке 6.21.

Рисунок 6.20 – Формирователь сигналов MSK и GMSK

После повышающего преобразователя частоты получается сигнал MSK, временная диаграмма которого приведена на рисунке 6.22. На этом же рисунке показана последовательность элементарных посылок на входе формирователя, задержанная на временной интервал t₀.

Формирователь сигнала GMSK отличается от формирователя сигнала MSK только наличием гауссовского ФНЧ, который на рисунке показан пунктиром.

Рисунок 6.20 – Временные диаграммы формирования низкочастотных

квадратурных компонент сигнала MSK

Рисунок 6.22 – Временные диаграммы высокочастотных квадратурных компонент сигнала и выходной сигнал формирователя

6.4.3. Автокорреляционный демодулятор сигналов MSK и GMSK

На рисунке 6.23 приведена структурная схема автокорреляционного демодулятора сигналов MSK и GMSK.

Рисунок 6.23 – Функциональная схема автокорреляционного демодулятора сигналов MSK и GMSK

Демодулятор состоит из автокорреляционного детектора, интегратора, формирователя элементарных посылок и блока синхронизации.

Функциональная схема автокорреляционного детектора представлена на рисунке 6.24.

Рисунок 6.24 – Автокорреляционный детектор

. Детектор состоит из 90-градусного фазорасщепителя (ФР), двух линий задержки, каждая из которых задерживает сигнал на длительность элементарной посылки T, двух перемножителей и вычитателя.

Пусть на выходах ФР действуют сигналы

где

Тогда на выходе детектора получим

Для нормальной работы детектора необходимо, чтобы в длительности элементарной посылки укладывалось целое число полупериодов несущей, т.е. выполнялось условие

2π f₀ T = π L, где L – целое число.

В этом случае сигнал на выходе детектора равен

На рисунке 6.25 показаны временная диаграмма передаваемого нормированного сигнала x_N(t), изменяющаяся в соответствии с законом модуляции фаза сигнала на входе демодулятора φ₀(t), фаза сигнала, задержанного на длительность элементарной посылки φ₀(t-T), разность фаз φ₀(t) - φ₀(t-T) и синус этой разности, определяющий выходной сигнал автокорреляционного детектора.

Рисунок 6.25 – Временные диаграммы сигналов в автокорреляционном демодуляторе

С целью повышения помехоустойчивости приема после детектора включается интегратор.

Для работы интегратора и следующего за ним формирователя элементарных посылок необходимо определить границы элементарных посылок. Для этой цели используется последовательность коротких импульсов с периодом, равным длительности элементарных посылок. Эта последовательность вырабатывается блоком синхронизации.

В момент прихода импульса интегратор обнуляется и начинается процесс интегрирования. Если в конце интервала интегрирования на выходе интегратора действует отрицательный сигнал, то на выходе формирователя появляется отрицательный уровень выходного сигнала, который остаётся неизменным до прихода следующего короткого импульса. Если в конце интервала интегрирования на выходе интегратора действует положительный сигнал, то на выходе формирователя появляется положительный выходной сигнал, который остается неизменным до прихода очередного короткого импульса.

Из временной диаграммы рисунка 6.25 видно, что выходной сигнал детектора со сдвигом во времени повторяет переданный сигнал, но первая посылка информационного сигнала пропадает.

Лекция 16. Радиоприем сигналов фазовой и фазоразностной

манипуляции

Тема 6. Радиоприем дискретных сигналов

6.5. Радиоприем сигналов фазовой манипуляции

На рисунке 6.26 приведена структурная схема демодулятора сигнала двухпозиционной (бинарной) фазовой манипуляции (BPSK –Binary Phase Shift Keying), а на рисунке 6.27 – временные диаграммы формирования и демодуляции этого сигнала.

Рисунок 6.26 – Структурная схема демодулятора сигнала фазовой манипуляции

Рисунок 6.27 – Временные диаграммы формирования и демодуляции сигнала ФМ

С математической точки зрения формирование сигнала ФМ сводится к перемножению функции, описывающей последовательность элементарных посылок передаваемого сигнала, на на функцию, описывающую синусоидальную несущую.

Из рисунка 6.27 видно, что при этом получается сигнал фазовой манипуляции: посылке позитива соответствует сигнал, фазовый сдвиг которого относительно несущей равен нулю, а посылке негатива - сигнал, фазовый сдвиг которого относительно несущей равен 180 градусам.

Такой сигнал действует на входе фазового детектора демодулятора. Для его демодуляции устройство формирования опорного напряжения УФОН должно выработать сигнал, когерентный сигналу посылки позитива на входе демодулятора.

Фазовый детектор вырабатывает выходное напряжение, зависящее от фазового сдвига между входным сигналом и опорным напряжением. При нулевом фазовом сдвиге напряжение на выходе фазового детектора положительно. При фазовом сдвиге в 180 градусов – напряжение отрицательно. Фильтр нижних частот повышает помехоустойчивость приема. Вместо ФНЧ может быть использован интегратор, как при приеме сигнала МЧМ.

Формирователь Ф формирует прямоугольные посылки выходного сигнала.

Наиболее сложным в реализации в демодуляторе сигнала ФМ является УФОН. Структурная схема этого узла, выполненного по методу В.И. Сифорова, приведена на рисунке 6.28.

Рисунок 6.28 – Структурная схема УФОН

Источником опорного напряжения является генератор синусоидальных колебаний Г, включенный в кольцо ФАПЧ. Для подстройки фазы этого генератора используется входной сигнал. Фазовый детектор системы ФАПЧ ФД должен формировать управляющий сигнал, зависящий от начального фазового сдвига между опорным напряжением и напряжением входного сигнала. Для того, чтобы устранить влияние фазовой модуляции входного сигнала на работу системы ФАПЧ, осуществляют умножение частоты и фазы входного сигнала на 2 в умножителе частоты УМН1. При умножении на 2 нулевой фазовый сдвиг дает ноль, а фазовый сдвиг в 180 градусов 360 градусов, т.е. тоже ноль. Поскольку фазовый детектор может сравнивать фазы колебаний только одинаковой частоты, то частота и фаза опорного напряжения также умножаются на 2.

При данном и других способах формирования опорного напряжения с равной вероятностью можно получить колебание синхронное или посылкам позитива, или посылкам негатива входного сигнала.

Из рисунка 6.27 следует, что если вместо опорного колебания, показанного на рисунке, будет колебание емупротивофазное, то вместо посылки позитива будет принята посылка негатива и наоборот. Это явление называется «обратной работой».

Чтобы обнаружить обратную работу в передаваемый сигнал периодически вводят кодовые комбинации, которые заведомо известны на приемной стороне. При обнаружении по ним обратной работы осуществляется инверсия принятого сигнала.

Однако, указанные кодовые комбинации уменьшают скорость передачи данных информационного сигнала.

«Обратная работа» является основным недостатком сигналов ФМ. Их достоинство – высокая помехоустойчивость приема.

6.6. Радиоприем сигналов фазоразностной манипуляции

Фазоразностная манипуляция (относительная фазовая манипуляция) отличается от фазовой тем, что информация заложена не в абсолютной разности фаз между сигналом и опорным колебанием, а в разности фаз между текущей посылкой сигнала и предыдущей.

Существует два способа формирования сигнала фазоразностной манипуляции (ФРМ, DBPSK – Differential Binary Phase Shift Keying):

· имеет место скачок фазы на границе элементарных посылок на 180 градусов, если следующая посылка отрицательна (рисунок 6.29);

· имеет место скачок фазы на границе элементарных посылок на 180 градусов, если

следующая посылка положительна.

Рисунок 6.29 – Формирование сигнала ФРМ

Рассмотрим два способа демодуляции сигнала ФРМ.

1.Автокорреляционный демодулятор сигнала ФРМ

На рисунке 6.30 приведена структурная схема автокорреляционного демодулятора сигнала ФРМ, а на рисунке 6.31– временные диаграммы сигналов демодулятора.

Рисунок 6.30 – Автокорреляционный демодулятор сигнала ФРМ

Из рисунка видно, что сигнал на выходе порогового устройства повторяет переданный сигнал, начиная со второй элементарной посылки. Первая посылка пропадает.

Достоинство автокорреляционного демодулятора – простота. Недостаток – относительно низкая помехоустойчивость, т.к. и во входной сигнал, и в сигнал на выходе линии задержки искажен помехой.

Рисунок 6.31– Временные диаграммы сигналов в автокорреляционном демодуляторе

2. Когерентный демодулятор сигнала ФРМ

Структурная схема когерентного демодулятора сигнала ФРМ приведена на рисунке 6.32, а рисунок 6.33 поясняет работу демодулятора.

Рисунок 6.32– Когерентный демодулятор сигнала ФРМ

Устройство формирования опорного напряжения УФОНформирует синусоидальное колебание, синфазное или противофазное посылкам входного сигнала.

Сигнал на выходе фазового детектора, а следовательно, на выходе ФНЧ зависит от разности фаз входного сигнала и опорного напряжения.

Прямоугольные элементарные посылки с выхода формирователя поступают на один их входов перемножителя. На второй вход перемножителя поступает последовательность элементарных посылок, задержанная на время, равное длительности одной элементарной посылки .

Выходной сигнал перемножителя повторяет преданный сигнал, начиная со второй элементарной посылки.

Рисунок 6.33 – Временные диаграммы сигналов в когерентном демодуляторе сигнала ФРМ

Нетрудно убедиться в том, что при опорном колебании, противофазном представленному на рисунке 6.33, результат детектирования окажется таким же.

Достоинством когерентного демодулятора является более высокая помехоустойчивость по сравнению с автокорреляционным. Это объясняется тем, что на один из входов фазового детектора поступает опорное колебание, не искаженное помехами, в отличие от входного сигнала. Недостаток демодулятора – более сложная реализация.

Заключение по теме 6

Сущность амплитудной манипуляции состоит в том, что

При цифровых видах модуляции передаваемый сигнал содержит посылки положительной (символ «1») и отрицательной полярности (символ «0»).

При бинарной амплитудной манипуляции символу «1» соответствует передача несущего колебания в течение длительности посылки T, а символу «0-» - отсутствие колебания.

При приеме сигнала бинарной амплитудной манипуляции осуществляется выбор одной из двух возможных элементарных посылок: посылки позитива или посылки негатива. Поэтому формирование выходных сигналов в приемнике осуществляется с использованием порогового устройства.

Для повышения скорости передачи данных применяется многопозиционная квадратурная амплитудная манипуляция.

При квадратурной амплитудной манипуляции для распознавания переданного символа используется не одно, а несколько пороговых значений, что предъявляет более жесткие требования к стабильности параметров приемника и к системе его автоматической регулировки усиления.

При бинарной частотной манипуляции символу «1» соответствует передача несущего колебания одной частоты- частоты позитива, а символу «0» - другой частоты – частоты негатива. От разности частот позитива и негатива – сдвига частот – зависит ширина спектра сигнала. Манипуляция с минимальным частотным сдвигом, равным частоте манипуляции, называется минимальной частотной манипуляцией. Сужение спектра сигнала позволяет разместить в заданной полосе частот большее количество каналов с частотным разнесением, поэтому МЧМ и гауссовская МЧМ нашли широкое применение.

.

Контрольные вопросы по теме 6

1. Поясните с помощью временных диаграмм сущность амплитудной манипуляции,

2. Начертите структурную электрическую схему радиоприемника сигналов амплитудной манипуляции,

3. Поясните с помощью временных диаграмм сущность частотной манипуляции,

4. Начертите структурную электрическую схему радиоприемника сигналов частотной манипуляции

5. Поясните с помощью временных диаграмм сущность бинарной фазовой манипуляции,

6. Начертите структурную электрическую схему радиоприемника сигналов бинарной фазовой манипуляции

7. Поясните с помощью временных диаграмм сущность бинарной фазоразностной манипуляции

8. Начертите структурную электрическую схему радиоприемника сигналов бинарной фазоразностной манипуляции,

9. Какое требование предъявляется к символам, соответствующим соседним позициям сигнального созвездия сигнала КАМ?

10. Начертите структурную электрическую схему демодулятора сигнала 16КАМ,

11. Какая частотная манипуляция называется минимальной?

12. Чем отличается сигнал гауссовской минимальной частотной манипуляции от сигнала минимальной частотной манипуляции?

13. Какой фильтр называется гауссовским?

14. Чему равна граничная частота гауссовского фильтра при неравномерности в полосе пропускания 3 дБ, если параметр BT=0.3 и длительность элементарной посылки сигнала равна 4 мкс?

15. Начертите структурную электрическую схему автокорреляционного демодулятора сигнала минимальной частотной манипуляции,

16. Начертите структурную электрическую схему автокорреляционного демодулятора сигнала квадратурной фазоразностной манипуляции,

Контрольная карта ответов по теме 8

14. Граничная частота фильтра 75 кГц,

Список литературы по теме 8

1. Колосовский Е.А. Устройства приема и обработки сигналов. Учебное пособие для вузов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007.-456с.: ил.

2. Румянцев К.Е. Прием и обработка сигналов: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 528с.

3.К.Феер. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра. –М.:Радио и связь, 2000.- 519с.:ил.