RU2790140C1 - Digital signal demodulator with two-level amplitude-phase shift keying and relative symbol amplitude estimation - Google Patents
Digital signal demodulator with two-level amplitude-phase shift keying and relative symbol amplitude estimation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2790140C1 RU2790140C1 RU2022126682A RU2022126682A RU2790140C1 RU 2790140 C1 RU2790140 C1 RU 2790140C1 RU 2022126682 A RU2022126682 A RU 2022126682A RU 2022126682 A RU2022126682 A RU 2022126682A RU 2790140 C1 RU2790140 C1 RU 2790140C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- output
- amplitude
- demodulator
- dgu
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в цифровых устройствах приема информационных сигналов с многопозиционной амплитудно-фазовой манипуляцией (АФМ или APSK).The invention relates to the field of radio engineering and can be used in digital devices for receiving information signals with multi-position amplitude-phase shift keying (APM or APSK).
Известно устройство приема сигналов с амплитудно-фазовой манипуляцией [1], содержащее фазовый демодулятор, амплитудный компаратор, коммутатор, управляемый аттенюатор, усилитель и фильтр нижних частот. Его недостатком является сложная аналоговая обработка сигнала и сопутствующие ей погрешности преобразований сигнала.A device for receiving signals with amplitude-phase keying [1], containing a phase demodulator, an amplitude comparator, a switch, a controlled attenuator, an amplifier and a low-pass filter, is known. Its disadvantage is the complex analog signal processing and the accompanying signal conversion errors.
Известно другое устройство приема сигналов с амплитудно-фазовой манипуляцией [2], содержащее аналого-цифровой преобразователь (АЦП), корректор, преобразователи вектора сигнала, блок вычисления ортогональной проекции градиента и блок автоматической регулировки усиления. Его недостатком является сложность реализации и необходимость точного контроля уровня входного сигнала.Another device for receiving signals with amplitude-phase keying [2] is known, containing an analog-to-digital converter (ADC), a corrector, signal vector converters, a block for calculating the orthogonal projection of the gradient, and an automatic gain control block. Its disadvantage is the complexity of implementation and the need for precise control of the input signal level.
Известно устройство адаптивного приема дискретных сигналов с амплитудно-фазовой модуляцией [3], содержащее автоматический регулятор уровня, фазовращатель, АЦП, демодулятор, решающий блок, адаптивный корректор, декодер и блок фазовой автоподстройки частоты. Его недостатками являются значительные вычислительные затраты и сложность реализации, особенно корректора и демодулятора, а также аналоговое формирование квадратурных каналов, погрешности которого существенно влияют на помехоустойчивость многопозиционных значений фазы.A device for adaptive reception of discrete signals with amplitude-phase modulation [3], containing an automatic level controller, a phase shifter, an ADC, a demodulator, a decision block, an adaptive corrector, a decoder and a phase locked loop, is known. Its disadvantages are significant computational costs and complexity of implementation, especially of the corrector and demodulator, as well as the analog formation of quadrature channels, the errors of which significantly affect the noise immunity of multi-position phase values.
Известны способ и устройство демодуляции сигнала [4], содержащее последовательно соединенные блок аналоговой обработки, блок АЦП и программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС), где ПЛИС выполнена с возможностью обмена данными с буферной памятью и микроконтроллером, а микроконтроллер и ПЛИС связаны с интерфейсами, обеспечивающими взаимодействие с компьютером и внешними устройствами. При этом устройство выполнено с возможностью последовательности обработки сигнала, включающей преобразование аналогового сигнала в цифровой вид на промежуточной частоте, выделение огибающей и разложение на квадратуры, символьную синхронизацию, адаптивную фильтрацию, синхронизацию по несущей, демаппинг с использованием данных в буферной памяти, кадровую синхронизацию и декодирование. Его недостатком является сложность реализации.A signal demodulation method and device [4] is known, containing a serially connected analog processing unit, an ADC unit and a programmable logic integrated circuit (FPGA), where the FPGA is configured to exchange data with a buffer memory and a microcontroller, and the microcontroller and FPGA are connected to interfaces that provide interaction with the computer and external devices. At the same time, the device is made with the possibility of a signal processing sequence, including converting an analog signal to a digital form at an intermediate frequency, envelope extraction and quadrature decomposition, symbol synchronization, adaptive filtering, carrier synchronization, demapping using data in the buffer memory, frame synchronization and decoding . Its disadvantage is the complexity of implementation.
Общим недостатком известных устройств является необходимость обеспечения заданных порогов сравнения амплитуд принимаемых символов за счет, например, автоматической регулировки усиления (АРУ) приемника.A common disadvantage of known devices is the need to provide specified thresholds for comparing the amplitudes of the received symbols due, for example, to automatic gain control (AGC) of the receiver.
Наиболее близким по технической сущности и внутренней структуре к предлагаемому устройству является цифровой фазовый детектор [5], содержащий АЦП, регистр сдвига многоразрядных кодов на четыре отсчета, первый и второй n-каскадные каналы квадратурной обработки сигналов, генератор тактовых импульсов, нормирующее устройство, цифровой формирователь арктангенса и блок коррекции фазы. Его недостатком является низкая скорость передачи информации, обусловленная единственной позицией амплитуды символа.The closest in technical essence and internal structure to the proposed device is a digital phase detector [5], containing an ADC, a shift register of multi-bit codes for four samples, the first and second n-cascade channels of quadrature signal processing, a clock generator, a normalizing device, a digital shaper arc tangent and phase correction block. Its disadvantage is the low information transfer rate due to the single position of the symbol amplitude.
Технической задачей предлагаемого изобретения является высокоскоростная оптимальная цифровая демодуляция сигналов с многопозиционной амплитудно-фазовой манипуляцией с относительной оценкой амплитуды принимаемого символа.The technical objective of the present invention is high-speed optimal digital demodulation of signals with multi-position amplitude-phase keying with a relative estimate of the amplitude of the received symbol.
Технический результат заключается в увеличении скорости передачи информации за счет использования двух позиций амплитуды символа и упрощении реализации демодулятора, не требующей формирования порогов сравнения абсолютных значений амплитуд принимаемых символов.The technical result consists in increasing the information transfer rate by using two positions of the symbol amplitude and simplifying the implementation of the demodulator, which does not require the formation of thresholds for comparing the absolute values of the amplitudes of the received symbols.
Это достигается тем, что известный цифровой демодулятор сигналов с амплитудно-фазовой манипуляцией, содержащий каскадно-соединенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и регистр сдвига многоразрядных кодов на четыре отсчета (РС4), первый и второй n-каскадные каналы квадратурной обработки сигналов (ККО), первый и второй входы которых подключены к нечетным и четным выходам РС4, нормирующее устройство (НУ), первый и второй входы которого соединены с выходами первого и второго ККО соответственно, цифровой формирователь арктангенса (ЦФ), вход которого подключен к выходу НУ и генератор тактовых импульсов (ГТИ), снабжен блоком формирования решения (БФР), первый вход которого соединен с выходом ЦФ, формирователем кода (ФК), первый вход которого подключен к выходу БФР, квадратичным преобразователем (КП), первый вход которого соединен с выходом первого ККО, второй вход - с выходом второго ККО, блоком тактовой синхронизации (БТС), блоком задержки (БЗ), первым умножителем (У1), вход которого подключен к выходу БЗ, вторым умножителем (У2), третьим вычитателем (В3), один вход которого соединен с выходом У1, четвертым вычитателем (В4), первый вход которого подключен к выходу БЗ, а второй - к выходу У2, выход КП подключен к общей точке, образованной соединением первых входов БТС, БЗ, входом У2 и другим входом В3, решающим устройством (РУ), первый вход которого соединен с выходом В3, а второй - с выходом В4, триггером (Т), один вход которого подключен к выходу РУ, а выход - к третьему входу РУ, выход БТС подключен к общей точке, образованной соединением второго входа БЗ, второго входа БФР, другого входа Т и третьего входа ФК, выход РУ соединен со вторым входом ФК и третьим входом БФР, тактовые входы АЦП, РС4, первого и второго ККО, БТС, БФР и ФК подключены к выходам ГТИ, выход ФК является выходом демодулятора.This is achieved by the fact that the well-known digital signal demodulator with amplitude-phase keying, containing a cascade-connected analog-to-digital converter (ADC) and a shift register of multi-bit codes for four samples (PC4), the first and second n-cascade channels of quadrature signal processing (QPC ), the first and second inputs of which are connected to the odd and even outputs of the RS4, the normalizing device (NU), the first and second inputs of which are connected to the outputs of the first and second CCO, respectively, the digital arc tangent shaper (CF), the input of which is connected to the output of the NU and the generator clock pulses (GTI), equipped with a decision forming unit (BFR), the first input of which is connected to the output of the digital filter, a code generator (FC), the first input of which is connected to the output of the BFR, a quadratic converter (CP), the first input of which is connected to the output of the first CCC , the second input - with the output of the second CCO, the clock synchronization unit (BTS), the delay unit (BZ), the first multiplier (U1), the input of which is connected to the output of the BZ, the second multiplier (U2), the third subtractor (V3), one input of which is connected to the output of U1, the fourth subtractor (V4), the first input of which is connected to the output of the BZ, and the second to the output of U2, the output of the KP is connected to a common point formed by connecting the first inputs of the BTS, BZ, input U2 and another input B3, a decision device (RU), the first input of which is connected to the output B3, and the second to the output B4, a trigger (T), one input of which is connected to the output RU, and the output - to the third input of the RU, the output of the BTS is connected to a common point formed by connecting the second input of the BZ, the second input of the BFR, another input of T and the third input of the FK, the output of the RU is connected to the second input of the FK and the third input of the BFR, the ADC clock inputs , PC4, the first and second KCO, BTS, BFR and FK are connected to the GTI outputs, the FK output is the demodulator output.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого цифрового демодулятора сигналов с двухуровневой амплитудно-фазовой манипуляцией и относительной оценкой амплитуды символа, на фиг. 2 и фиг. 3 - созвездия сигнала с 16АФМ (16APSK), на фиг. 4 показан процесс квантования входного сигнала (по 4 отсчета на период), на фиг. 5 - временные диаграммы откликов квадратурных каналов, на фиг. 6 - реализация отсчетов фаз, на фиг. 7 - реализация оценки амплитуды символов, на фиг. 8 и фиг. 9 - зависимости вероятности ошибки от отношения сигнал/шум для созвездий, представленных на фиг. 3 и фиг. 2, соответственно.The present invention is illustrated by drawings, where in Fig. 1 shows a block diagram of the proposed digital signal demodulator with two-level amplitude-phase keying and relative symbol amplitude estimation, FIG. 2 and FIG. 3 - signal constellations with 16APSK (16APSK), in Fig. 4 shows the input signal quantization process (4 samples per period), FIG. 5 are timing diagrams of quadrature channel responses, FIG. 6 - implementation of phase readings, in Fig. 7 is an implementation of symbol amplitude estimation, FIG. 8 and FIG. 9 shows the dependence of the error probability on the signal-to-noise ratio for the constellations shown in FIG. 3 and FIG. 2, respectively.
Цифровой демодулятор сигналов с двухуровневой амплитудно-фазовой манипуляцией и относительной оценкой амплитуды символа содержит АЦП 1, первый вход которого выполнен с возможностью приема сигнала АФМ от приемного устройства ПРМ 2. Выход АЦП 1 соединен со входом регистра 3 сдвига многоразрядных кодов на четыре отсчета РС4, нечетные выходы которого соединены с соответствующими входами вычитателя В1 4 первого ККО 5, а четные выходы - с соответствующими входами вычитателя В2 6 второго ККО 7. Каждый ККО помимо вычитателя содержит n каскадно-соединенных блоков накопления отсчетов (БНО). Количество БНО n зависит от числа N периодов накопления сигнала и определяется двоичным логарифмом N (n=log2N). Такое построение устройства обеспечивает минимальное количество БНО. При этом число обрабатываемых периодов сигнала соответствует N=2n, а длительность обрабатываемого информационного символа определится как NT0, где T0=1/ƒ0 - период принимаемого сигнала с несущей частотой ƒ0.The digital demodulator of signals with two-level amplitude-phase keying and a relative estimation of the symbol amplitude contains an
Первый ККО 5 содержит последовательно соединенные БНО 8-1, …, 8-n, а второй ККО 7 - последовательно соединенные БНО 9-1, …, 9-n. Каждый из БНО состоит из регистра сдвига многоразрядных кодов MP и сумматора СУМ. Блоки 8-1, …, 8-n накопления отсчетов содержат регистры 10-1, …, 10-n сдвига многоразрядных кодов и сумматоры 11-1, …, 11-n соответственно, а БНО 9-1, …, 9-n содержат регистры 12-1, …, 12-n сдвига многоразрядных кодов и сумматоры 13-1, …, 13-n. В каждом блоке 8 (9) накопления отсчетов вход регистра 10 (12) сдвига является входом блока 8 (9) накопления отсчетов, а соответствующие выходы регистра 10 (12) соединены с первым и вторым входами сумматора 11 (13). Выход сумматора 11 (13) является выходом блока 8 (9) накопления отсчетов, а тактовый вход регистра 10 (12) сдвига является управляющим входом блока 8 (9) накопления отсчетов.The
Выход вычитателя В1 4 соединен с входом блока 8-1 накопления отсчетов ККО 5, а выход блока 8-n накопления отсчетов ККО 5 - с первым входом нормирующего устройства НУ 14. Выход вычитателя В2 6 соединен с входом блока 9-1 накопления отсчетов ККО 7, а выход блока 9-n накопления отсчетов ККО 7 - со вторым входом НУ 14. Выход НУ 14 соединен с входом цифрового формирователя арктангенса ЦФ 15, выход ЦФ 15 подключен к первому входу БФР 16. Выходы первого 5 и второго 7 ККО подключены к первому и второму входам КП 17, выход которого соединен с первым входом БТС 18, первым входом БЗ 19, входом У2 20 и первым входом В3 21. Выход БТС 18 соединен со вторым входом БЗ 19, первым входом триггера Т 22 и вторым входом БФР 16.The output of the
Выход БЗ 19 подключен к входу У1 23 и первому входу В4 24, выход У1 23 подключен ко второму входу В3 21, выход которого подсоединен к первому входу РУ 25, а выход У2 20 соединен со вторым входом В4 24, второй вход РУ 25 подключен к выходу В4 24. Выход РУ 25 подключен к второму входу триггера Т 22 и третьему входу БФР 16, а выход Т 22 - к третьему входу РУ 25. Первый вход формирователя кода ФК 26 соединен с выходом БФР 16, второй вход ФК 26 - с выходом РУ 25, а третий вход ФК 26 подключен к выходу БТС 18.The output of
Тактовые входы АЦП 1, первого 5 и второго 7 ККО, БТС 18, БФР 16 и ФК 26 подключены к выходам ГТИ 27, выход ФК 26 является выходом демодулятора.The clock inputs of the
Цифровой демодулятор сигналов с двухуровневой амплитудно-фазовой манипуляцией и относительной оценкой амплитуды символа работает следующим образом.A digital signal demodulator with two-level amplitude-phase shift keying and relative symbol amplitude estimation operates as follows.
Сигнал с амплитудно-фазовой манипуляцией (АФМ или APSK) является многопозиционным и несущая одновременно модулируется по амплитуде и фазе передаваемым двоичным кодом. Он представляется созвездием - диаграммой на плоскости, точки которой отображают значения амплитуды и начальной фазы передаваемого 2n-позиционного информационного символа, представляемого n-разрядным двоичным кодом. Пример созвездия сигнала 16АФМ, применяемого в цифровом телевидении, при n=4 (число позиций равно 16) показан на фиг. 2. Точка в квадратурной плоскости (I,Q) соответствует позиции сигнала, для которой угол наклона вектора из начала координат соответствует начальной фазе ψk k-го передаваемого информационного символа со значениями 0÷2n, а длина вектора - его амплитуде Sk. Тем самым реализуется полярная система координат. Точки кодируются четырехразрядными комбинациями кода Грея (для рассматриваемого примера передаются 12 значений начальной фазы и 2 значения амплитуды). Для демодуляции сигнала с АФМ на приемной стороне необходима фазовая синхронизация опорного генератора.An amplitude-phase-shift keying (APSK) signal is multi-position and the carrier is simultaneously modulated in amplitude and phase by the transmitted binary code. It is represented by a constellation - a diagram on a plane, the points of which display the values of the amplitude and the initial phase of the transmitted 2 n -positional information symbol, represented by an n-bit binary code. An example of a constellation of a 16APM signal used in digital television, with n=4 (the number of positions is 16) is shown in FIG. 2. A point in the quadrature plane (I,Q) corresponds to the position of the signal, for which the angle of inclination of the vector from the origin corresponds to the initial phase ψ k of the k-th transmitted information symbol with
На выходе приемника 2 k-й принимаемый символ сигнала s(t) с АФМ можно записать в видеAt the output of
где U - минимальная амплитуда символа, ƒ0 _ несущая частота, a k - символы, модулирующие амплитуду (полагается, что они могут принимать М1=2 возможных значения a k=0 или a k=1), - символы, модулирующие фазу (на фиг. 2 М2=4 при a k=0 и М2=12 при a k=1). При этом общее число позиций сигнала с АФМ (1), описываемого созвездием, представленным на фиг. 2, определится как М=4+12=16.where U is the minimum symbol amplitude, ƒ 0 _ carrier frequency, a k are amplitude modulating symbols (it is assumed that they can take M 1 =2 possible values a k =0 or a k =1), - symbols that modulate the phase (in Fig. 2 M 2 =4 when a k =0 and M 2 =12 when a k =1). In this case, the total number of signal positions with APM (1), described by the constellation shown in Fig. 2 is defined as M=4+12=16.
На фиг. 3 показан другой вариант созвездия с М1=2 и М2=8 для каждого возможного значения a k (М=8+8=16). Его особенностью является возможность независимой модуляции амплитуды (1 бит) и фазы (3 бита) сигнала.In FIG. 3 shows another version of the constellation with M 1 =2 and M 2 =8 for each possible value of a k (M=8+8=16). Its feature is the possibility of independent modulation of the amplitude (1 bit) and phase (3 bits) of the signal.
Сигнал с АФМ поступает на вход АЦП 1, который формирует по четыре отсчета входного сигнала на период повторения T0=1/ƒ0 в соответствии с тактовыми импульсами ГТИ, следующими с частотой 4ƒ0. Процесс дискретизации входного сигнала для i-го периода показан на фиг. 4.The signal from the AFM is fed to the input of the
После обработки j-го периода (заполнения многоразрядного регистра сдвига на четыре отсчета РС4 3) на вход вычитателя В1 4 поступают отсчеты s2j и s4j, а на его выходе формируется разность (где S - амплитуда текущего элемента), которая запоминается в регистре сдвига многоразрядных кодов 10-1. В следующем периоде сигнала на выходе вычитателя В1 4 получим величину , а на выходе сумматора 11-1 - . После поступления N=2n периодов входного сигнала (n - число БНО в каждом ККО) при отсутствии помех и в предположении, что за время NT0 начальная фаза входного сигнала меняется незначительно, на выходе сумматора 11-n первого ККО 5 получим результат обработки 2N отсчетов принятого сигнала видаAfter processing the j-th period (filling the multi-bit shift register for four samples PC4 3), the
Аналогично на вход вычитателя В2 6 сначала поступают отсчеты s1j и s3j (сдвинуты относительно пары s2j и s4j по времени на Т0/4 или по фазе на 90°), и на выходе вычитателя В2 6 формируется разность , которая запоминается в регистре 12-1. После поступления N периодов входного сигнала на выходе сумматора 13-n второго ККО 7 имеемSimilarly, at the input of the
Изменив для удобства нумерацию поступивших периодов посредством преобразования i=j+N-1, для y1i и y2i можно записатьBy changing the numbering of the received periods for convenience by means of the transformation i=j+N-1, for y 1i and y 2i we can write
где i - номер текущего (последнего поступившего) обрабатываемого периода сигнала по окончании приема текущего символа. Примеры нормированных к 2NS зависимостей y1i и y2i от номера текущего периода i для созвездия, представленного на фиг. 3, в отсутствии помех показаны на фиг. 5. Линейный характер изменения этих величин свидетельствует об оптимальности обработки сигнала.where i is the number of the current (last received) processed period of the signal at the end of the reception of the current symbol. Examples of 2NS-normalized dependences of y 1i and y 2i on the number of the current period i for the constellation shown in FIG. 3 in the absence of interference are shown in FIG. 5. The linear nature of the change in these values indicates the optimality of signal processing.
Двоичные коды величин y1i и y2i поступают в нормирующее устройство НУ 14 (на основе регистров сдвига), обеспечивающее путем совместного сдвига кодов полное заполнение разрядной сетки наибольшего по модулю из них. Далее результаты поступают в цифровой формирователь арктангенса ЦФ 15, в котором определяется величинаThe binary codes of the values y 1i and y 2i enter the normalizing device NU 14 (based on the shift registers), which provides, by joint shifting the codes, the complete filling of the bit grid of the largest modulo of them. Further, the results are sent to the digital shaper of the arc
равная сдвигу фаз между принимаемым и опорным (от ГТИ 27) сигналами и принимающая значения в интервале от -3π/2 до π/2. Процедуру вычисления выражения (3) в ЦФ 15 целесообразно реализовать на базе постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), в котором коды величин y1i и y2i образуют адрес ячейки памяти, содержащей двоичный код ψi (3). Если выбрать разрядность нормированных кодов y1i и y2i равной 10 (20-ти разрядная шина адреса ПЗУ), и разрядность кода ψi (шины данных) равной 16, то потребуется ПЗУ общей емкостью 2 Мбайт.equal to the phase shift between the received and reference (from GTI 27) signals and taking values in the range from -3π/2 to π/2. It is advisable to implement the procedure for calculating expression (3) in the
На фиг. 6 показан пример зависимости ψi (3) от i/N для созвездия, представленного на фиг. 3, при отсутствии помех. Решение о фазе принятого символа выносится при целых значениях i/N. С выхода ЦФ 15 двоичный код ci начальной фазы ψi передается на первый вход БФР 16.In FIG. 6 shows an example of ψ i (3) versus i/N for the constellation shown in FIG. 3, in the absence of interference. The decision about the phase of the received symbol is made at integer values of i/N. From the output of the
Отклики первого 5 и второго 7 ККО y1i и y2i поступают в КП 17, на выходе которого формируется величинаThe responses of the first 5 and second 7 CCCs y 1i and y 2i arrive at the
Согласно (2) в момент окончания приема k-го символа с амплитудой Sk According to (2), at the end of receiving the kth symbol with amplitude S k
и является оценкой амплитуды элемента сигнала с АФМ. Пример зависимости zi от значения i/N для созвездия, представленного на фиг. 3, в условиях отсутствия помех показан на фиг. 7.and is an estimate of the amplitude of the APM signal element. An example of z i versus i/N for the constellation shown in FIG. 3 under no interference conditions is shown in FIG. 7.
Отклик КП 17 zi поступает в БТС 18, в котором формируются синхроимпульсы символьной синхронизации, отмечающие момент окончания приема очередного элемента сигнала. Как видно из диаграммы, показанной на фиг. 7, форма импульсов отклика КП 17 пригодна для формирования синхроимпульсов БТС 18.The response KP 17 z i enters the
Значения zi поступающие от КП 17 по сигналу БТС 18, при целочисленных k=i/N (где k - номер текущего принятого символа) передаются на вход умножителя У2 20 с коэффициентом а 2, на первый вход вычитателя В3 21 и на вход блока задержки БЗ 19, в котором хранится ранее записанное значение амплитуды предыдущего символа zi-N. С выхода У2 20 результат подается на второй вход вычитателя В4 24. С выхода БЗ 19 данные передаются на вход умножителя У1 23 с коэффициентом умножения а 1 и на первый вход вычитателя В4 24. С выхода У1 23 результат поступает на второй вход вычитателя В3 21. В результате на выходе вычитателя В3 21 формируется величинаValues z i coming from
а на выходе В4 24 - величинаand at the output B4 24 - the value
Для созвездия, представленного на фиг. 3, целесообразно выбрать коэффициенты a 1=а 2=2. При этом операции умножения в (4), (5) могут быть реализованы монтажно смещением разрядной сетки.For the constellation shown in Fig. 3, it is advisable to choose the coefficients a 1 = a 2 =2. In this case, the multiplication operations in (4), (5) can be implemented by editing the bit grid.
Нетрудно убедиться, что знаки b1 и b2 характеризуют уровень (амплитуду) принятого символа. Именно, если b1≥0, то амплитуда символа равна 3U, и на выходе РУ 25 формируется код 1. Если же b2≤0, то амплитуда равна U, и на выходе РУ 25 формируется код 0. Наконец, если b1<0 и b2>0, то на выход РУ 25 выдается предшествующее значение кода амплитуды символа, записанное ранее в триггере Т 22.It is easy to see that the signs b 1 and b 2 characterize the level (amplitude) of the received symbol. Namely, if b 1 ≥0, then the symbol amplitude is equal to 3U, and
Таким образом, код амплитуды принятого символа определяется в демодуляторе по относительным уровням текущего zi и предшествующего zi-N символов. При этом необходимость в абсолютных измерениях амплитуд символов и сравнения их с заранее установленными порогами отсутствует, что существенно упрощает техническую реализацию демодулятора.Thus, the amplitude code of the received symbol is determined in the demodulator by the relative levels of the current z i and previous z iN symbols. At the same time, there is no need for absolute measurements of symbol amplitudes and their comparison with predetermined thresholds, which greatly simplifies the technical implementation of the demodulator.
Код амплитуды символа с выхода РУ 25 поступает на третий вход БФР 16, определяя набор значений фаз символов для созвездия, представленного на фиг. 2. Для созвездия, представленного на фиг. 3, в указанной операции нет необходимости, поскольку фаза символа не зависит от его амплитуды. На выходе БФР 16 по сигналу от БТС 18 формируются решения об амплитуде и начальной фазе принятого символа (их двоичные коды), по которым в ФК 26 в моменты окончания принимаемого символа образуется двоичный (в частности, четырехразрядный для созвездий, представленных на фиг. 2 и фиг. 3) код сигнала с АФМ, выдаваемый на выход демодулятора. Блоки БФР 16 и ФК 26 могут быть реализованы на базе постоянного запоминающего устройства или программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС).The symbol amplitude code from the output of
Проведем оценку помехоустойчивости демодулятора. Положим, что полезный сигнал (1) искажается центрированным гауссовским случайным шумом, отсчеты которого не коррелированы и имеют дисперсию . Тогда шумовые компоненты величин y1i, y2i (2) описываются нормальным распределением вероятностей с нулевым средним значением и дисперсией, равной сумме дисперсий отсчетов:Let us estimate the noise immunity of the demodulator. Let us assume that the useful signal (1) is distorted by a centered Gaussian random noise, the samples of which are not correlated and have a dispersion . Then the noise components of the quantities y 1i , y 2i (2) are described by a normal probability distribution with a zero mean and a variance equal to the sum of the sample variances:
и являются приближенно статистически независимыми для соседних символов.and are approximately statistically independent for adjacent symbols.
Минимальное отношение сигнал/шум на выходе квадратурных каналов обработки сигнала (отношение мощности сигнальной компоненты последовательности отсчетов к мощности шумовой составляющей) определится какThe minimum signal-to-noise ratio at the output of the quadrature channels of signal processing (the ratio of the power of the signal component of the sequence of samples to the power of the noise component) is determined as
где U - минимальная амплитуда элемента сигнала с АФМ.where U is the minimum amplitude of the signal element with AFM.
Помехоустойчивость сигнала с АФМ зависит от вида созвездия. Для расположения сигнальных точек, показанного на фиг. 3, число позиций амплитуды М1=2 (два значения U и 3U), а число позиций фазы равно М2=8 и одинаково для каждой из амплитуд элементов сигнала. Для элементов с амплитудой 3U отношение сигнал/шум больше минимального (6) на 9,5 дБ, т.е. вероятности ошибочного приема элементов с амплитудой 3U пренебрежимо малы по сравнению с вероятностями ошибочного приема элементов с амплитудой U.The noise immunity of a signal with AFM depends on the type of constellation. For the location of the signal points shown in FIG. 3, the number of amplitude positions M 1 =2 (two values U and 3U), and the number of phase positions is M 2 =8 and is the same for each of the signal element amplitudes. For elements with an amplitude of 3U, the signal-to-noise ratio is greater than the minimum (6) by 9.5 dB, i.e. the probabilities of erroneous reception of elements with an amplitude of 3U are negligible compared to the probabilities of erroneous reception of elements with an amplitude of U.
В [6] приведено выражение для вероятности ошибки оптимальной когерентной демодуляции сигнала с МФМ (MPSK) с числом позиций М2 в видеIn [6], an expression is given for the error probability of the optimal coherent demodulation of a signal with MPSK (MPSK) with the number of positions M 2 in the form
Тогда для равновероятных амплитуд символов для вероятности ошибки демодуляции сигнала с АФМ с созвездием на фиг. 3 получимThen, for equiprobable symbol amplitudes, for the demodulation error probability of the constellation APM signal in FIG. 3 get
В (8) полагается, что амплитуды принимаемых сигналов U и 3U известны.In (8), it is assumed that the amplitudes of the received signals U and 3U are known.
На фиг. 8 сплошной линией изображена зависимость РошАФМ (h0) (8) от h0 (6), выраженного в децибелах, для созвездия, представленного на фиг. 3, при М2=8. Здесь же треугольниками нанесены соответствующие экспериментальные значения вероятности РошАФМ, полученные в ходе статистического имитационного моделирования работы цифрового демодулятора сигнала с АФМ при точно известных амплитудах символов и N=256. Кружками показаны результаты моделирования работы демодулятора с выбором амплитуд принимаемых символов на основе (5) и (6) при оптимальных значениях а 1=а 2=1,8, а прямоугольниками (для сравнения) - при значениях a 1=а 2=2, отличных от оптимальных. Из фиг. 8 следует, что предлагаемый демодулятор для созвездия, представленного на фиг. 3, при РошАФМ<10-3 обеспечивает незначительное снижение помехоустойчивости (менее 0,5 дБ) по сравнению с демодуляцией при известных амплитудах символов.In FIG. 8, the solid line shows the dependence of P oshAFM (h 0 ) (8) on h 0 (6), expressed in decibels, for the constellation shown in FIG. 3, at M 2 =8. Here, the corresponding experimental values of the probability Р oshAFM obtained in the course of statistical simulation of the operation of a digital signal demodulator with AFM at exactly known symbol amplitudes and N=256 are marked with triangles. The circles show the results of modeling the operation of the demodulator with the choice of the amplitudes of the received symbols based on (5) and (6) at the optimal values a 1 = a 2 =1.8, and the rectangles (for comparison) - at the values a 1 = a 2 =2, other than optimal. From FIG. 8 that the proposed demodulator for the constellation shown in FIG. 3, when P o APM <10 -3 provides a slight decrease in noise immunity (less than 0.5 dB) compared to demodulation with known symbol amplitudes.
На фиг. 9 сплошной линией изображена зависимость вероятности ошибки демодуляцииIn FIG. 9, the solid line shows the dependence of the demodulation error probability
для созвездия, представленного на фиг. 2, при М2=4. Кружками нанесены экспериментальные значения вероятности РошАФМ, полученные в ходе статистического имитационного моделирования работы демодулятора при точной оценке порога сравнения и амплитуды символа. Наблюдаемое здесь расхождение теоретических и экспериментальных оценок вероятности РошАФМ обусловлено большим влиянием символов с амплитудой 3U, поскольку для них число позиций фазы равно 12, что снижает помехоустойчивость, в то время как число позиций фазы символов с амплитудой U равно 4, что существенно повышает их помехоустойчивость по сравнению с созвездием, представленным на фиг. 3. В целом устойчивость к шумовой помехе для созвездия, представленного на фиг. 2, значительно выше по сравнению с созвездием, представленным на фиг. 3.for the constellation shown in Fig. 2, when M 2 =4. The circles show the experimental values of the probability Р oshAPM obtained in the course of statistical simulation of the demodulator operation with an accurate estimate of the comparison threshold and symbol amplitude. The discrepancy observed here between the theoretical and experimental estimates of the probability Р osh APM is due to the large influence of symbols with an amplitude of 3U, since for them the number of phase positions is 12, which reduces noise immunity, while the number of phase positions of symbols with amplitude U is 4, which significantly increases their noise immunity. compared to the constellation shown in Fig. 3. In general, noise interference immunity for the constellation shown in FIG. 2 is significantly higher than the constellation shown in FIG. 3.
Треугольниками на фиг. 9 показаны результаты моделирования работы демодулятора с относительной оценкой амплитуды символа. Нетрудно видеть, что в данном случае помехоустойчивость демодулятора существенно падает, но остается не хуже, чем для созвездия, представленного на фиг. 3. Отметим также, что в предлагаемом демодуляторе можно использовать созвездия и с другим отношением амплитуд символов (не только 3:1). При этом значения а 1 и а 2 могут отличаться от указанных выше.The triangles in Fig. 9 shows the results of modeling demodulator operation with a relative symbol amplitude estimate. It is easy to see that in this case the noise immunity of the demodulator drops significantly, but remains no worse than for the constellation shown in Fig. 3. We also note that constellations with other symbol amplitude ratios (not only 3:1) can be used in the proposed demodulator. In this case, the values of a 1 and a 2 may differ from those indicated above.
Для практической реализации представленного демодулятора наиболее целесообразно использовать программируемые логические интегральные схемы.For the practical implementation of the presented demodulator, it is most expedient to use programmable logic integrated circuits.
Использование изобретения позволяет осуществлять демодуляцию сигнала с двухуровневой амплитудно-фазовой манипуляцией с относительной оценкой амплитуды символа и за счет этого повысить скорость передачи информации по сравнению с прототипом и упростить реализацию демодулятора.The use of the invention makes it possible to demodulate a signal with two-level amplitude-phase keying with a relative estimate of the symbol amplitude and thereby increase the information transfer rate compared to the prototype and simplify the implementation of the demodulator.
ЛитератураLiterature
1. Мартиросов В.Е., Гуськов А.П., Белов Г.Ю., Березин С.В. Цифровой измеритель сдвига фаз // Авторское свидетельство SU 1356247, МПК H04L 5/12, от 30.11.87, Бюл. №44.1. Martirosov V.E., Guskov A.P., Belov G.Yu., Berezin S.V. Digital phase shift meter // Author's certificate SU 1356247,
2. Клейбанов С.Б., Логунова Н.Л. Устройство приема сигналов с амплитудно-фазовой манипуляцией // Авторское свидетельство SU 1385316, МПК H04L 27/06, от 30.03.88, Бюл. №12.2. Kleybanov S.B., Logunova N.L. Device for receiving signals with amplitude-phase keying // Author's certificate SU 1385316, IPC H04L 27/06, dated 30.03.88, Bull. No. 12.
3. Астапкович К.Ф., Буянов В.Ф., Захаров И.И., Калмыков Б.П., Лопатин С.И., Нейман А.А., Перфильев Э.П., Сивов О.Т. Устройство адаптивного приема дискретных сигналов с амплитудно-фазовой модуляцией // Авторское свидетельство SU 1309319 А1, МПК Н04В 1/10, от 07.05.87, Бюл. №17.3. Astapkovich K.F., Buyanov V.F., Zakharov I.I., Kalmykov B.P., Lopatin S.I., Neiman A.A., Perfil’ev E.P., Sivov O.T. Device for adaptive reception of discrete signals with amplitude-phase modulation // Author's certificate SU 1309319 A1,
4. Лабутин В.В., Чулков Д.О., Петров И.А., Ронжин A.M. Способ и устройство демодуляции сигнала // Патент №2713206 С1, МПК H04L 27/34, от 04.02.2020 (Бюл. №4); заявка №2019109357 от 29.03.2019.4. Labutin V.V., Chulkov D.O., Petrov I.A., Ronzhin A.M. Signal demodulation method and device // Patent No. 2713206 C1, IPC H04L 27/34, dated February 4, 2020 (Bulletin No. 4); application No. 2019109357 dated 03/29/2019.
5. Чернояров О.В., Глушков А.Н., Литвиненко В.П., Литвиненко Ю.В., Матвеев Б.В., Демина Т.И. Цифровой фазовый детектор // Патент №2723445 С2, МПК H04L 27/22, от 11.06.2020 (Бюл. №17); заявка №2018134812 от 01.10.2018.5. Chernoyarov O.V., Glushkov A.N., Litvinenko V.P., Litvinenko Yu.V., Matveev B.V., Demina T.I. Digital phase detector // Patent No. 2723445 C2, IPC H04L 27/22, dated 06/11/2020 (Bulletin No. 17); application No. 2018134812 dated 01.10.2018.
6. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. - М.: Вильямс, 2016. - 1104 с.6. Sklyar B. Digital communication. Theoretical foundations and practical application. - M.: Williams, 2016. - 1104 p.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2790140C1 true RU2790140C1 (en) | 2023-02-14 |
Family
ID=
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CA1301864C (en) * | 1987-02-19 | 1992-05-26 | Sadao Takenaka | Multilevel amplitude modulation and demodulation communication system |
RU2246182C1 (en) * | 2003-07-17 | 2005-02-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственное конструкторское бюро аппаратно-программных систем "Связь" (ФГУП "ГКБ "Связь") | Demodulator of sixteen-position quadrature-amplitude keyed signals |
CN107147600A (en) * | 2017-04-28 | 2017-09-08 | 电子科技大学 | A kind of digital modulation signals demodulator and its demodulation method based on neutral net |
RU2723445C2 (en) * | 2018-10-01 | 2020-06-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Майкопский государственный технологический университет" | Digital phase detector |
US10742462B2 (en) * | 2016-10-03 | 2020-08-11 | Keyssa Systems, Inc. | BPSK demodulation |
RU2761521C1 (en) * | 2021-05-21 | 2021-12-09 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Digital incoherent signal demodulator with amplitude quaternary phase-shift keying |
RU2766429C9 (en) * | 2021-04-22 | 2022-04-18 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Digital non-coherent amplitude-phase-shift keying signal demodulator |
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CA1301864C (en) * | 1987-02-19 | 1992-05-26 | Sadao Takenaka | Multilevel amplitude modulation and demodulation communication system |
RU2246182C1 (en) * | 2003-07-17 | 2005-02-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственное конструкторское бюро аппаратно-программных систем "Связь" (ФГУП "ГКБ "Связь") | Demodulator of sixteen-position quadrature-amplitude keyed signals |
US10742462B2 (en) * | 2016-10-03 | 2020-08-11 | Keyssa Systems, Inc. | BPSK demodulation |
CN107147600A (en) * | 2017-04-28 | 2017-09-08 | 电子科技大学 | A kind of digital modulation signals demodulator and its demodulation method based on neutral net |
RU2723445C2 (en) * | 2018-10-01 | 2020-06-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Майкопский государственный технологический университет" | Digital phase detector |
RU2766429C9 (en) * | 2021-04-22 | 2022-04-18 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Digital non-coherent amplitude-phase-shift keying signal demodulator |
RU2761521C1 (en) * | 2021-05-21 | 2021-12-09 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Digital incoherent signal demodulator with amplitude quaternary phase-shift keying |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ГЛУШКОВ А.Н., КОЛБОВ Б.Н., ЛИТВИНЕНКО В.П. Цифровой демодулятор сигналов с относительной фазовой манипуляцией // Вестник ВГТУ. 2016. N 2. С. 94-96. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Cahn | Performance of digital phase-modulation communication systems | |
US4849991A (en) | Method and circuitry for determining symbol timing for time division multiple access radio systems | |
US4899367A (en) | Multi-level quadrature amplitude modulator system with fading compensation means | |
CN101005480B (en) | Demodulation circuit and demodulation method | |
JPWO2009104420A1 (en) | Digital modulation signal testing apparatus, digital modulator, digital demodulator, and semiconductor device using them | |
US20050008101A1 (en) | Computationally efficient demodulation for differential phase shift keying | |
JPS6346623B2 (en) | ||
US10644911B1 (en) | Multi-level pulse-amplitude modulation receiver system | |
RU2362273C2 (en) | Method of transmitting information using pseudonoise signals and device to this end | |
US4945312A (en) | Method and device for the demodulation of signals with constant envelope and continuous phase angle modulation by a train of binary symbols tolerating frequency drifts | |
RU2790140C1 (en) | Digital signal demodulator with two-level amplitude-phase shift keying and relative symbol amplitude estimation | |
US4809298A (en) | Radio data transmission system | |
Glushkov et al. | Basic algorithm for the coherent digital processing of the radio signals | |
RU2786159C1 (en) | Digital signal demodulator with amplitude-phase keying | |
EP1143611A1 (en) | Digital automatic gain control | |
RU2790205C1 (en) | Amplitude-differential phase-shift keying digital signal demodulator | |
CN115037330B (en) | Doppler-resistant transmitting method, transmitting device and terminal | |
CN115037329B (en) | Doppler-resistant receiving method, receiving device and terminal | |
RU2649782C1 (en) | Digital non-coherent demodulator of four-position signals with relative phase manipulation | |
CN112671684B (en) | Self-adaptive demodulation method of short-time burst BPSK signal | |
RU2776968C1 (en) | Digital signal demodulator with multiple phase shift keying | |
CN112039578B (en) | FPGA-based signal processing module of satellite-borne ADS-B receiver | |
RU2761521C1 (en) | Digital incoherent signal demodulator with amplitude quaternary phase-shift keying | |
US7231004B2 (en) | System and method of low power demodulation of continuous phase modulated waveforms | |
RU2766429C9 (en) | Digital non-coherent amplitude-phase-shift keying signal demodulator |