RU2572105C2 - Способ демодуляции частотно-модулированных сигналов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для обработки сигналов при приеме частотно-модулированных сигналов. Способ демодуляции частотно-модулированных сигналов заключается в преобразовании частотно-модулированного сигнала в цифровую форму и получении двух квадратурных сигналов. Затем отсчеты квадратурных сигналов пропускают через цифровой фильтр нижних частот, вычисляют значение модуля отсчетов сигнала, при этом каждый квадратурный сигнал дополнительно пропускают через цифровой дифференцирующий фильтр, импульсная характеристика которого соответствует производной от импульсной характеристики фильтра нижних частот, отсчеты сигналов с выходов низкочастотных и дифференцирующих фильтров прореживают, значения модуля отсчетов сигнала вычисляют из прореженных отсчетов с выхода низкочастотного фильтра, после чего осуществляют сглаживающую фильтрацию модуля сигнала, прореженные реальные отсчеты с выхода низкочастотного фильтра умножают на мнимые отсчеты с выхода дифференцирующего фильтра, а мнимые отсчеты с выхода низкочастотного фильтра умножают на реальные отсчеты с выхода дифференцирующего фильтра, результаты умножения вычитают, осуществляют деление на сглаженный модуль сигнала. Способ демодуляции позволяет проводить демодуляцию частотно-модулированных сигналов при существенно меньших соотношениях сигнал/шум, а также снизить необходимую вычислительную производительность цифрового демодулятора. 1 ил.

Description

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для обработки сигналов при приеме частотно-модулированных сигналов.

Известен способ демодуляции частотно-модулированных (ЧМ) сигналов, который основан на преобразовании частотно-модулированного напряжения в амплитудно-частотно-модулированное с последующим амплитудным детектированием. В качестве преобразователя частотно-модулированного напряжения в амплитудно-частотно-модулированное используются два взаимно расстроенных колебательных контура [А.И. Куприянов, А.В. Сахаров. Радиоэлектронные системы в информационном конфликте, Москва, «Вузовская книга, 2003, стр.21, Рис.1.9].

Недостатком данного способа является нестабильность центральной частоты и крутизны частотной характеристики демодулятора.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ демодуляции ЧМ сигналов [А.Б. Сергиенко. Цифровая обработка сигналов, издательский дом «Питер» 2003 год, стр.457-459], принятый за прототип данного изобретения.

В прототипе входной частотно-модулированный сигнал преобразуют в цифровую форму с помощью АЦП. Далее осуществляют квадратурную обработку. При этом отсчеты сигнала поступают на два умножителя, где их умножают на отсчеты двух опорных колебаний, сдвиг по фазе между которыми составляет 90°. Каждый из результатов умножения содержит два слагаемых - низкочастотное и высокочастотное. Низкочастотные составляющие выделяют с помощью ФНЧ. Вычисляют квадрат модуля этих составляющих. Далее каждую из пар квадратурных составляющих подвергают дифференцированию методом вычитания двух соседних отсчетов. С помощью умножителей производную реальной части сигнала умножают на мнимую часть сигнала, а производную мнимой части сигнала умножают на реальную часть сигнала. Результаты перемножения вычитают в сумматоре. Полученную сумму нормируют с помощью делителя, на выходе которого получают отсчеты демодулированного сигнала.

Недостатком данного способа является то, что он пригоден к применению только при частоте дискретизации, много большей, чем частота сигнала, поскольку производная сигнала должна вычисляться по двум дискретным отсчетам. Большая частота дискретизации в свою очередь приводит к большим вычислительным затратам. Дополнительным недостатком данного способа является неустойчивость работы демодулирующего устройства при малом соотношении сигнал/шум, так как модуль одного отсчета с большой вероятностью может принимать близкие к нулю значения, соответственно при нормировке, заключающейся в делении на модуль сигнала, возникают выбросы демодулированного сигнала.

Целью данного изобретения является обеспечение демодуляции ЧМ сигнала при малых соотношениях сигнал/шум и снижение необходимой вычислительной производительности за счет снижения частоты дискретизации до значений, близких к частоте Найквиста.

Поставленная цель достигается за счет того, что в известном способе демодуляции ЧМ сигнала, заключающемся в том, что ЧМ сигнал преобразуют в цифровую форму, получают два квадратурных сигнала умножением отсчетов сигнала на отсчеты двух опорных колебаний, сдвиг по фазе между которыми составляет 90°, вычисляют низкочастотные составляющие каждого из полученных квадратурных сигналов, вычисляют значение модуля отсчетов сигнала с выходов фильтров низких частот, при этом осуществляют сглаживающую фильтрацию модуля сигнала, а каждый квадратурный сигнал пропускают через цифровой дифференцирующий фильтр, отсчеты сигналов с выходов низкочастотных и дифференцирующих фильтров прореживают, прореженные реальные отсчеты с выхода низкочастотного фильтра умножают на мнимые отсчеты с выхода дифференцирующего фильтра, а мнимые отсчеты с выхода низкочастотного фильтра умножают на реальные отсчеты с выхода дифференцирующего фильтра, результаты умножения вычитают, осуществляют деление на сглаженный модуль сигнала.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ демодуляции ЧМ сигналов, приведена на Рис.1, где

1 - входной сигнал,

2 - аналого-цифровой преобразователь,

3 - умножитель,

4 - фильтр низкой частоты,

5 - дифференцирующий фильтр,

6 - дециматор, осуществляющий прореживание отсчетов,

7 - вычислитель модуля,

8 - сглаживающий фильтр,

9 - умножитель,

10 - сумматор,

11 - делитель.

Входной частотно-модулированный сигнал 1 преобразуют в цифровую форму с помощью АЦП 2. Далее отсчеты сигнала поступают на два умножителя 3, где их умножают на отсчеты двух опорных колебаний, сдвиг по фазе между которыми составляет 90°. Каждая из квадратурных составляющих одновременно поступает на фильтр низкой частоты 4 и дифференцирующий фильтр 5. Отсчеты с выходов фильтров прореживают с помощью дециматоров 6. Вычисляют квадрат модуля сигнала с выходов фильтра низкой частоты с помощью вычислителя 7. Сглаживающим фильтром 8 осуществляют фильтрацию квадрата модуля сигнала. С помощью умножителей 9 прореженные реальные отсчеты с выхода ФНЧ умножают на мнимые отсчеты с выхода дифференцирующего фильтра, а мнимые отсчеты с выхода ФНЧ умножают на реальные отсчеты с выхода дифференцирующего фильтра, результаты умножения вычитают в сумматоре 10. С помощью делителя 11 осуществляют деление полученной суммы на сглаженный модуль сигнала.

В предлагаемом способе демодуляция ЧМ сигналов построена на основе методов цифровой фильтрации. Из теории линейных фильтров известно, что выходной процесс фильтра y(t) связан с входным процессом x(t) выражением

$$\text{y(t)}={\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{t}{\int }}\text{x(}\tau \text{)h(t-}\tau \text{)d}\tau }\text{ (1)}$$

где h(t) - импульсная характеристика фильтра. Известно также, что частотная характеристика фильтра H(f) связана с его импульсной характеристикой преобразованием Фурье.

Рассмотрим полосовой низкочастотный фильтр Н с полосой пропускания В и частотной характеристикой

$$H(f)=\{\begin{array}{l}1\text{ при }\left|\text{f}\right|\le \frac{B}{2}\\ 0\text{ при }\left|\text{f}\right|>\frac{B}{2}\end{array}\left(\text{2}\right)$$

Как известно, нормированная импульсная характеристика такого фильтра имеет вид

$$h(\tau )=\frac{\sin (\pi B\tau )}{\pi B\tau }\text{ (3)}$$

Построим дифференцирующий фильтр с импульсной характеристикой

$$h_d(\tau )=\frac{dh(\tau )}{d\tau }=\pi B\left(\frac{\cos (\pi B\tau )}{\pi B\tau }-\frac{\sin (\pi B\tau )}{{(\pi B\tau )}^2}\right)\text{. (4)}$$

В соответствии с правилом дифференцирования при вычислении спектров, если имеется временная функция x(t) и известно ее Фурье-преобразование X(f), то Фурье-преобразование для ее производной $$\frac{dx(t)}{dt}$$

равно j2πfX(f). Таким образом, частотная характеристика фильтра h_d(τ) будет иметь вид

$$H_d(f)=\{\begin{array}{l}j2pf\text{ при }\left|\text{f}\right|\le \frac{B}{2}\\ 0\text{ при }\left|\text{f}\right|>\frac{B}{2}\end{array}\text{ (5)}$$

Как видно, модуль частотной характеристики полученного фильтра в полосе пропускания пропорционален частоте. Такой фильтр может быть использован как основа для частотного демодулятора.

Если подать на вход фильтра H_d комплексный сигнал x(t)=Ae^j2πft, то на выходе фильтра получим

$$y_d(t)=H_d(f)x(t)=j2\pi fA{e}^{j2\pi ft}\text{ (6)}$$

Как видно, амплитуда выходного сигнала зависит как от частоты, так и от амплитуды входного сигнала. Теперь необходима нормировка выходного сигнала и детектирование. Для этого пропустим сигнал x(t) также через фильтр H(f)

$$y(t)=H(f)x(t)=A{e}^{j2\pi ft}\text{ (7)}$$

и вычислим значение

$${\text{U}}_{\text{D}}=\text{Im}\left(\frac{{\text{y}}_{\text{d}}(t)}{y(t)}\right)=\text{2}\pi \text{f (8)}$$

Таким образом, выходной сигнал демодулятора не зависит от амплитуды входного сигнала. Операция деления комплексных чисел реализуется согласно выражению

$${\text{U}}_{\text{D}}=\text{Im}\left(\frac{{\text{y}}_{\text{d}}(t)}{y(t)}\right)=\mathrm{Im}\left(\frac{{\text{y}}_{\text{d}}(t)\cdot y^{{}_{*}}(t)}{y(t)\cdot y^{*}(t)}\right)=\frac{{\text{Re(y}}_{\text{d}}(t))\cdot \mathrm{Im}(y(t))-\text{Re(y}(t))\cdot \mathrm{Im}(y_d(t))}{{\text{(Re(y}(t)))}^2+{(\mathrm{Im}(y(t)))}^2}\text{ (9)}$$

Выражение (9) реализуется элементами 7, 8, 9, 10, 11 схемы, показанной на Рис.1.

Введение сглаживающего фильтра в знаменатель выражения уменьшает вероятность появления выбросов и соответственно увеличивает вероятность правильного приема при малых соотношениях сигнал/шум.

Таким образом, приведенный процесс реализует демодуляцию ЧМ сигнала, в том числе при малом соотношении сигнал/шум.

В практике аналоговых фильтров приведенную последовательность операций реализовать практически невозможно. Однако в технике цифровой обработки сигналов фильтры с импульсными характеристиками, приближенными к требуемым, вполне могут быть построены. Фильтры Н и H_d могут быть реализованы на основе четырех параллельно действующих нерекурсивных фильтров с конечной импульсной характеристикой - КИХ-фильтров, выполненных аппаратно. После фильтрации отсчеты могут быть прорежены до частоты, близкой к частоте Найквиста. При этом операции комплексного деления и сглаживающей фильтрации знаменателя проводятся на низкой частоте, что экономит вычислительные ресурсы процессора при сохранении высокой точности демодуляции.

Claims (1)

1. Способ демодуляции частотно-модулированных сигналов, заключающийся в том, что частотно-модулированный сигнал преобразуют в цифровую форму, получают два квадратурных сигнала умножением отсчетов сигнала на отсчеты двух опорных колебаний, сдвиг по фазе между которыми составляет 90°, отсчеты квадратурных сигналов пропускают через цифровой фильтр нижних частот, вычисляют значение модуля отсчетов сигнала, отличающийся тем, что каждый квадратурный сигнал дополнительно пропускают через цифровой дифференцирующий фильтр, импульсная характеристика которого соответствует производной от импульсной характеристики фильтра нижних частот, отсчеты сигналов с выходов низкочастотных и дифференцирующих фильтров прореживают, значения модуля отсчетов сигнала вычисляют из прореженных отсчетов с выхода низкочастотного фильтра, после чего осуществляют сглаживающую фильтрацию модуля сигнала, прореженные реальные отсчеты с выхода низкочастотного фильтра умножают на мнимые отсчеты с выхода дифференцирующего фильтра, а мнимые отсчеты с выхода низкочастотного фильтра умножают на реальные отсчеты с выхода дифференцирующего фильтра, результаты умножения вычитают, осуществляют деление на сглаженный модуль сигнала.