Демодулятор сигналів з амплітудно-фазовою модуляцією

Передбачувана корисна модель відноситься до вузлів систем передачі даних і може бути використаний в цифрових системах передачі сигналів. Відомий демодулятор амплітудно-фазової демодуляції (АФМ, чи KAM) [Радиорелейные и спутниковые системы передачи: Учебник для ВУЗов /под ред. A.C. Немировского, - М.: Радио и связь, 1986г. - 392с, стр.133], що містить генератор опорної частоти, що регулюється, два перемножувача, два фільтра низьких частот, фазообертач, схему відновлення когерентної несучої Сіфорова, яка регулює генератор опорної частоти. Найбільш близьким до передбачуваної корисної моделі за технічною сутністю і результатом, що досягається, є схема Костаса [Радиорелейные и спутниковые системы передачи: Учебник для ВУЗов/ под ред. A.C. Немировского - М.: Радио и связь, 1986. - 392с, стр.132], що містить генератор опорної частоти, з автоналаштуванням, фазообертач, два перемножувача, два фільтра низької частоти, генератор, керований напругою, фільтри низької частоти фазового автоналаштування, два регенератори з двома перемножувачами та блок віднімання. Недоліками зазначених пристроїв є: велика нестабільність частоти генератора, керованного напругою, велика інерційність блока фазового автоналаштування генератора із-за інерцийності фільтра низької частоти, обмеженості полоси утримання та захоплення фазового автоналаштування частоти (наприклад-петлі Костаса). В основу корисної моделі поставлена задача: створення пристою синхронного детектування сигналу з квадратурою (амплітудно-фазовою) модуляцієй (маніпуляцієй), в якому випадкова фаза сигналу компенсується методом лінійного віднімання від углового аргументу несучої частоти сигналу , що дозволяє отримати опорний сигнал кореляційного приймача, який співпадає за фазою, частотою та стабільністю частоти як у опорного кварцового генератора демодулятора. Технічним результатом передбачуваної корисної моделі є відсутність регулюючи х елементів з зворотнім зв'язком, що забезпечує регулювання лінійними методами по всій смузі сигналу, у якій демодулюють сигнал, а також високу стабільність частоти і фази опорного когерентного коливання корелляційного демодулятора. Відсутність зворотного зв'язку забезпечує відсутність збудження генератора. Демодулятор сигналів з амплітудно-фазовою модуляцією, що містить фазообертач (1), вхід якого підключен до входу (1) обмежувача амплітуди (2) та входу (2) перемножувача (12), а також вхід фазообертача (1) є входом демодулятора на який надходить вхідний сигнал, вихід же фазообертача (1) підключен до входу (2) перемножувача (13), а вихід обмежувача амплітуди (2) підключен до входу (1) перемножувача (5) та до входу фазообертача (3), вихід якого підключен до входу (1) перемножувача (6), а входи (2) перемножувачів (5) та (15), вхід (2) обмежувача амплітуди (2) і вхід фазообертача (7) підключені до виходу генератора опорної частоти (4), який відрізняється тим, що вихід фазообертача (7) підключен до входів (2) перемножувачів (6) та (16), виходи же перемножувачів (5) та (6) підключені відповідно до входів фільтрів низької частоти (8) та (9), а ви хід фільтра низьких частот (8) підключен до входів (1) суматора який віднімає (11) та суматора (10), а вихід фільтру низьких частот (9) підключен до входів (2) суматора (10) та суматора який віднімає (11), виходи же суматорів (10) та (11) підключені відповідно до входів (1) перемножувачів (13) та (12), крім того виходи перемножувачів (12) та (13) підключені відповідно до входів (1) та (2) суматора (14), вихід якого з'єднай зі входами (1) перемножувачів (15) та (16), виходи яких підключені відповідно до входів фільтрів низької частоти (17) і (18), вихід же фільтра низької частоти (17) є аналоговим виходом (1) демодулятора (синфазний канал), а вихід фільтру низької частоти (18) є (2) аналоговим виходом демодулятора (квадратурний канал), крім того виходи фільтрів низької частоти (17) і (18) підключені відповідно до входів аналогово-цифрових перетворювачів (19) та (20), вихід же аналогово-цифрового перетворювача (19) є цифровим виходом (3) демодулятора (синфазний канал), а вихід аналового-цифрового перетворювача (20) є цифровим виходом (4) демодулятора (квадратурний канал). Введення в пристрій додаткових перемножувачів, фільтрів низької частоти та суматорів дозволяє виключити використання зворотніх зв'язків для фазового автоматичного під лаштування частоти, що дозволяє компенсувати зсув фази у всьому діапазоні робочих частот зі швидкістю проходження сигналу та забезпечити стабільність частоти сигналу на рівні стабільності опорного генератора. Суть корисної моделі пояснюється функціональною схемою пристрою, яка наведена на Фіг.2, де: 1 - фазообертач на p/2 на частоті сигналу з інверсним виходом (інверсній вихід еквівалентним множенню на мінус одиницю); 2 - обмежувач амплітуди сигналу; 3 - фазообертач на p/2 на часті сигналу з інверсним виходом; 4 - генератор опорної частоти; 5 - перемножувач; 6 - перемножувач; 7 - фазообертач на p/2 на частоті генератора опорної частоти з інверсним виходом; 8 - фільтр низької частоти (ФНЧ); 9 - фільтр низької частоти ; 10 - суматор; 11 - суматор, який віднімає (віднімаючий суматор); 12 - перемножувач; 13 - перемножувач; 14 -суматор; 15 - перемножувач; 16 - перемножувач; 17 - фільтр низької частоти; 18 - фільтр низької частоти; 19 - аналого-цифровий перетворювач; 20 - аналого-цифровий перетворювач. Демодулятор сигналів з амплітудно-фазовою модуляцією, що містить фазообертач (1), вхід якого підключен до входу (1) обмежувача амплітуди (2) та входу (2) перемножувача (12), а також вхід фазообертача (1) є входом демодулятора на який надходить вхідний сигнал, вихід же фазообертача (1) підключен до входу (2) перемножувача (13), а вихід обмежувача амплітуди (2) підключен до входу (1) перемножувача (5) та до входу фазообертача (3), вихід якого підключен до входу (1) перемножувача (6), а входи (2) перемножувачів (5) та (15), вхід (2) обмежувача амплітуди (2) і вхід фазообертача (7) підключені до виходу генератора опорної частоти (4), який відрізняється тим, що вихід фазообертача (7) підключен до входів (2) перемножувачів (6) та (16), виходи же перемножувачів (5) та (6) підключені відповідно до входів фільтрів низької частоти (8) та (9), а ви хід фільтра низьких частот (8) підключен до входів (1) суматора який віднімає (11) та суматора (10), а вихід фільтру низьких частот (9) підключен до входів (2) суматора (10) та суматора який віднімає (11), виходи же суматорів (10) та (11) підключені відповідно до входів (1) перемножувачів (13) та (12), крім того виходи перемножувачів (12) та (13) підключені відповідно до входів (1) та (2) суматора (14), вихід якого з'єднай зі входами (1) перемножувачів (15) та (16), виходи яких підключені відповідно до входів фільтрів низької частоти (17) і (18), вихід же фільтра низької частоти (17) є аналоговим виходом (1) демодулятора (синфазний канал), а вихід фільтру низької частоти (18) є (2) аналоговим виходом демодулятора (квадратурний канал), крім того виходи фільтрів низької частоти (17) і (18) підключені відповідно до входів аналогово-цифрових перетворювачів (19) та (20), вихід же аналогово-цифрового перетворювача (19) є цифровим виходом (3) демодулятора (синфазний канал), а вихід аналового-цифрового перетворювача (20) є цифровим виходом (4) демодулятора (квадратурний канал). Пристрій працює в такий спосіб. Вхідний сигнал, який поступає на вхід пристрою вх. 1 має вигляд, який задається рівнянням ˆ ˆ y(t ) = an cos[w 0 t + q(t )] + bn sin[w0 t + q( t )] , (1) ˆ ˆ де an та bn амплітуди квадратурних складових ˆ ˆ an = an + n( t); bn = bn + n(t )] , (2) аn та bn - складові амплітуди сінфазного та квадратурного каналів, n(t) - шум каналу звязку, q (t) - фазовий додаток шумової складової та затримки каналу зв’язку, w 0 - кутова частота, t - час. Рівенство (1) можно представити у формі [Г.Б. Двайт. Таблицы интегралов и другие математические формулы, стр.71] ˆ ˆ S1(t)= An cos[w 0t - j + q( t)], де A n = a2 + b2 , cos j = an , sin j = bn , ˆ ˆ ˆn ˆ n ˆ ˆ An (3) An Сигнал (1) подається на входи блоків обмежувача амплітуди 2 та на вхід 2 перемножувача 12, та на вхід фазообертача 1 для зсуву фази на p/2 (90 градусів). Після проходження блока 1 сигнал буде мати вигляд ˆ ˆ (4) S2(t)= - an sin[ w0 t + q( t)] + bn cos[w0 t + q( t)] = - An sin[w 0t - j + q(t)] , ˆ Що слідує з відомих властивостей [М.Я. Выгодский. Справочник по элементарной математике, стр.286; Μ., Наука ;1976г.].( Мін ус у (4) компенсується інверсією сигналу на виході фазообертача один) (4.1) sin( a + p /2)=cos a ; cos( a + p /2)=-sin a . З ви ходу блока фазообертача 1 сигнал (4) потрапляє на вхід 2 перемножувача 13. Блок опорного коливання 4 виробляє опорну частоту (5) V1(t)=U0cos w 0 t. На другий вхід блока 5 подається опорна частота (5), а на другий вхід блоку 6 подається опорна частота, яка пройшла через блок фазообертача 7 (з урахуванням інверсії амплітуди) і має вигляд (6) V (t)=U cos[ w 0 t+ p /2]=U sin w 0 t. 2 0 0 Після обмежувача амплітуди 2 сигнал (І) має фіксоване значення амплітуди, яке можна задати постійною амплітудою D, тобто V (t)=Dcos[ w 0 t- j + q (t)]=dcos[ w 0 t+ q (t)]+dsin[ w 0 t+ q (t)]; (7) 1 2 2 де D= a + b =const; d=const. Так як обмежувач амплітуди не впливає на фазу, то фазові зсуви будуть залишатись без змін. На виході перемножувача 5 будуть перемножені сигали (7) та (5), тобто B1( t ) = V1( t ) × U 0 cos w 0 t = 1/ 2{dcos[w0 t + q( t )] × U0 cos w0 t + d sin[w0 t + q(t )] × U 0 cos w0 t} = = 1/ 2 × d × U0 × { cos[2w0 t + q( t )] + cos q( t ) + sin[2w 0t + q (t )] + sin q(t )} (8) Після проходження фільтра низьких частот 8 (ФНЧ) з частотою зріза ω0 на виході цього ФНЧ буде відфільтрований сигнал (8), тобто G1 (t ) = 1/ 2dU0 { cos q(t ) + sinq( t )}. (9) На вхід 1 блока 6 надходить сигнал після обмежувача (2) зі зсувом фази на p/2, який робить блок фазообертача 3. Згідно з тригонометричними тотожностями (4.1) на виході блока 3 буде сигнал (7) із зсувом на p/2, V2(t)=Dcos[ w0 t- j + q (t)+ p ]=-Dsin[ w0 t- j + q (t)]= 2 (10) w 0 t+ q (t)]-dsin[ w 0 t- j + q (t)]} ={dcos[ На виході же перемножувача 6 буде перемноження сигналів (10) та (6), тобто B 2 ( t ) = V2 ( t ) × U0 sin w 0 t = 1/ 2dU0 {cos[ w 0 t + q(t )] - sin[ w 0 t + q(t )]} sin w 0 t = = 1/ 2dU0 {sin[ w 0 t + q( t )] + sin q( t ) - cosq( t ) + cos[ 2 w 0 t + q(t )]} (10.1) . Після проходження сигналу (10.1) через ФНЧ (блок 9) з частотою зріза w 0 на виході цього ФНЧ буде відфільторований сигнал (10.1), тобто G 2 (t ) = 1/ 2dU0 {sinq( t ) - cos q( t )} . (11) То на виході суматора 10 буде сигнал: G3(t)=G 1 (t)+G2 (t)=dU0sin q( t ) . (14) На виході суматора який віднімає 11, буде сигнал (15) G4(t)=G 1(t)-G2(t)=dU0cos q( t ) . Скористуємося відомою тригонометричною тотожністю [М.Я. Выгодский. Справочник по элементарной математике, стр.287; - М: Наука; 1976г.] cos(A-B)=cosAcosB+sinAsinB (16) Якщо ˆ cosА=y(t)= A ncos[ w0 t- j + q( t ) ; є вхід 2 блока 12; cosB=G4(t)=G1(t)-G 2(t)=2dU 0cos q( t ) ; є вхід 1 блока 12; ˆ sinA=S2(t)= An sin[ w0 t- j + q (t)]; є вхід 2 блока 13 (з урахуванням інверсії амплітуди фазообертачем); sinB=G3(t)=G1(t)+G2(t)=2dU0sin q( t ) ; є вхід 1 блока 13; то можна записати сигнал на виході суматора 14, як ˆ ˆ P( t ) = A n cos[w0 t - j + q( t )] × dU 0 cos q( t ) + A n sin[w 0 t - j + q(t )] × dU 0 sin q( t ) = ˆ ˆ ˆ ˆ = A cos[w t - j] = A b cos[w t - j ] = a b cos w t + b b sin w t (17) , де b0=dU0=соnst. В ортогональному вигляді доказ (17) можна записати так n 0 n 0 0 n 0 0 n 0 0 ˆ ˆ ˆ ˆ P( t) = dU0 {an cos[w0 t + q(t )] + bn sin[w 0t + q( t)]} × cosq (t) - dU0 { -bn cos[w0 t + q( t)] + an sin[w 0t + q( t)]} × sinq (t ) = ˆ ˆ ˆ ˆ = dU0an cos[w0 t + q( t)] × cosq (t ) + dU0bn sin[w 0t + q( t)] × cos q( t) - dU0 bn cos[w 0t + q( t)] × sin q( t) + dU0an sin[w 0 t + q (t )] × sinq( t) = ˆ ˆ ˆ ˆ = dU0 {an cos[w0 t + q( t)] × cosq (t ) + an sin[w 0t + q( t)] × sin q( t)} + dU0 {bn sin[w 0t + q( t)] × cos q( t) - bn cos[w 0t + q( t)] × sin q(t ) } = ˆ = anb0 cosw 0t + bnb0 sinw 0 t ˆ де використані відомі арифметичні тотожності [М.Я. Выгодский. Справочник по элементарной математике, стр.287; - М: На ука; 1976г.] cos(A-В)=cosAcosВ+sinAsinВ sin(A-В)=sinAcosВ-cosAsinВ. Таким чином сигнал P(t) не має фазового зсуву q( t ) . Він повністю компенсован частиною пристрою, в яку входять блоки 12, 13 та 14. Це є схема фазової автокомпенсації без петлі зворотного звязку. Далі сигнал (17) детектується за звичайною схемою табто перемножується та фільтрується: [Радиорелейные и спутниковые системы передачи: Учебник для ВУЗов //под ред. А.С. Немировского -М: Радио и связь, 1986. - 393с,стр.132, Рис.4.34в]. На ви ході блоку 15 буде сигнал ˆ P(t).U0cos w0 t=dU0{ an cos w0 t.U0cos w0 t+ bn sin w0 t.U0cos w0 t}. (18) ˆ Після проходження ФНЧ (блок 17) сигнал (18) буде без складових з частотою 2 w0 , тобто (сі фазний канал) I(t)= an dU 2 , ˆ 0 (19) 2 де dU 0 =const. На виході блоку 18 буде сигнал ˆ (20) P(t) .U0sin w0 t=dU 2 { an cos w0 t.sin w0 t+ bn sin w0 t.sin w0 t}. ˆ 0 Після проходження ФНЧ (блок 18) сигнал (20) буде без складових з частотою 2 w0 , тобто (квадратурний канал) ˆ (21) Q(t)= bn .dU 2 , 0 де dU 2 =const. 0 На виходах блоків 19 та 20 будуть відповідно цифрові сигнали аналогових значень I(t) та Q(t). Обмежувач амплітуди 2 має структур у, яка приведена на Фіг.1 На вхід 1 обмежувача 2 поступає сигнал зі входу пристрою а(t)cos[ w0 t+ q( t ) ], на виході же блока перемножувала 2.1 буде сигнал, який описується рівнянням 1 1 (22) a( t ) cos[2 w0 t + q(t )] + a (t )U0 cos q9 t ) , 2 2 1 Після проходження фільтру низьких частот 2.2 (ФНЧ) складова a( t ) cosé2w0t + q( t )ù буде відфільтрована і ê ú 2 ë û залишиться сигнал, який задається рівнянням 1 ˆ (23) a( t )U0 cos q( t ) = a(t ). 2 Після біполярного обмежувача амплітуди 2.3 сигнал на виході цього блоку буде мати постійну амплітуду (біполярну) та знак сигналу (22) і може бути записан як (24) ±|W0(t)|, де |W 0 t)|=const³0. Сигнал, який потрапляє на вхід обмежувача 2, також потрапляє на біполярний обмежувач амплітуди 2.4 на виході якого буде сигнал (25) ±|b(t)cos[w0t+ q( t ) ], Де |b(t)|³0. Знак (25) буде повторювати знак (22). З виходів блоків 2.3 та 2.4 сигнали (24) та (25) потрапляють на входи 1 та 2 перемножувача 2.5 на виході якого буде сигнал с (26) q0cos[w0t+ q( t ) ], де q0 завжди має знак + (плюс), тому що сигнали (24) та (25) завжди мають один знак так я вони породжені одним вхідним сигналом, який подається на вхід 1 перемножувача 2. З вихода блока 2.5 сигнал поступає на вхід блока смугового фільтра 2.6, укий не змінює сигнал (26) а тільки відфільтровує гармоніки, яки можуть виникнути при перемноженні сигналів блоком 2.5. Вихід смугового фільтру 2.6 є ви ходом обмежувача амплітуди 2.