RU2797823C1 - Carrier recovery device - Google Patents
Carrier recovery device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2797823C1 RU2797823C1 RU2023103042A RU2023103042A RU2797823C1 RU 2797823 C1 RU2797823 C1 RU 2797823C1 RU 2023103042 A RU2023103042 A RU 2023103042A RU 2023103042 A RU2023103042 A RU 2023103042A RU 2797823 C1 RU2797823 C1 RU 2797823C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- output
- phase
- signal
- multiplier
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области приема радиосигналов с двоичной фазовой манипуляцией (BPSK) или квадратурной фазовой манипуляцией (QPSK) и может быть использовано в спутниковых, радиорелейных цифровых системах связи.The invention relates to the field of receiving radio signals with binary phase shift keying (BPSK) or quadrature phase shift keying (QPSK) and can be used in satellite, radio relay digital communication systems.
Для демодуляции сигналов с фазовой манипуляцией необходимо несущее колебание. Известны несколько способов восстановления несущей [1, стр. 151], [2, стр. 302] и [3, стр. 8].Demodulation of phase shift keying signals requires a carrier wave. There are several ways to restore the carrier [1, p. 151], [2, p. 302] and [3, p. 8].
Сигнал несущей может быть восстановлен непосредственно из принимаемого информационного сигнала. Для восстановления несущего колебания необходимо устранить модуляцию, восстановив тем самым его составляющую в спектре принятого сигнала. Сделать это можно путем возведения входного сигнала в m-ю степень, c последующей фильтрацией умноженного сигнала с помощью пассивного полосового фильтра и деления выделенного фильтром сигнала на m (схема А.А. Пистолькорса). При другом способе восстановления несущей также необходимо возвести входной сигнал в m-ю степень, после чего фильтрация умноженного сигнала осуществляется кольцом фазовой автоподстройки [1, стр. 151].The carrier signal can be recovered directly from the received information signal. To restore the carrier wave, it is necessary to eliminate the modulation, thereby restoring its component in the spectrum of the received signal. This can be done by raising the input signal to the mth power, followed by filtering the multiplied signal using a passive band-pass filter and dividing the signal selected by the filter by m (A.A. Pistohlkors scheme). With another carrier recovery method, it is also necessary to raise the input signal to the m-th power, after which the multiplied signal is filtered by a phase-locked loop [1, p. 151].
Для большинства видов модуляции (амплитудные, фазовые, амплитудно-фазовые) система восстановления несущей непосредственно из информационного сигнала может быть также построена по схеме, называемой петлей Костаса [2, стр. 302]. В устройстве, рассмотренном в [3], для восстановления сигнала несущей c умножением частоты используется демодулятор, работающий по схеме Костаса.For most types of modulation (amplitude, phase, amplitude-phase), the carrier recovery system directly from the information signal can also be built according to a scheme called the Costas loop [2, p. 302]. In the device considered in [3], a demodulator operating according to the Costas scheme is used to restore the carrier signal with frequency multiplication.
Недостатком описанных способов восстановления несущей являются фазовые ошибки слежения за фазой несущей. Как известно, фазовые ошибки слежения за фазой несущей при использовании петли Костаса и способа ФАПЧ с возведением входного сигнала в степень описываются одинаковыми стохастическими уравнениями [4, стр.103]. Поэтому, при прочих равных условиях, дисперсии фазовых ошибок слежения за фазой несущей, как этого способа ФАПЧ, так и способа ФАПЧ с возведением входного сигнала в степень будут одного уровня.The disadvantage of the described carrier recovery methods is the carrier-phase tracking phase errors. As is known, the phase errors of tracking the carrier phase when using the Costas loop and the PLL method with raising the input signal to a power are described by the same stochastic equations [4, p.103]. Therefore, ceteris paribus, the phase error variances of tracking the carrier phase of both this PLL method and the PLL method with raising the input signal to a power will be the same level.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, описанное в [2, стр. 301], которое принято за прототип.The closest in technical essence to the proposed is the device described in [2, p. 301], which is taken as a prototype.
Функциональная схема устройства-прототипа приведена на фиг. 1, где введены следующие обозначения:The functional diagram of the prototype device is shown in Fig. 1, where the following designations are introduced:
7 - перемножитель;7 - multiplier;
8 - петлевой фильтр;8 - loop filter;
9 - генератор, управляемый напряжением (ГУН);9 - voltage controlled generator (VCO);
10 - делитель частоты на два;10 - frequency divider by two;
11 - квадратирующее устройство;11 - squaring device;
12 - полосовой фильтр.12 - bandpass filter.
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные квадратирующее устройство 11, полосовой фильтр 12, перемножитель 7, петлевой фильтр 8, генератор, управляемый напряжением (ГУН) 9 и делитель частоты на два 10, выход которого является выходом устройства. При этом выход генератора 9 соединен с вторым входом перемножителя 7. Вход квадратирующего устройства 11 является входом устройства.The prototype device contains a series-connected
Устройство-прототип работает следующим образом.The prototype device works as follows.
На вход квадратирующего устройства 11 поступает сигнал с двоичной фазовой манипуляцией (BPSK). Если аргумент тригонометрической функции, описывающей фазомодулированный сигнал со скачками фазы 2π/m (m - число возможных значений фазы), увеличить в m раз, то фазовая модуляция снимается, фаза полученного сигнала не зависит от скачков информационной фазы и с точностью величины, кратной 2π/m, повторяет фазу исходного немодулированного сигнала.The
Операцию умножения аргумента функции, описывающей сигнал, можно реализовать с помощью квадратора при приеме радиосигналов с двоичной фазовой манипуляцией (BPSK) или с помощью нелинейного элемента четвертой степени при приеме радиосигналов с квадратурной фазовой манипуляцией (QPSK). Как известно, при изменении значения информационного сигнала фаза радиосигнала BPSK изменяется на 180°. Операция возведения в квадрат снимает модуляцию и удваивает частоту сигнала.The operation of multiplying the argument of the function describing the signal can be implemented using a quadrature when receiving radio signals with binary phase shift keying (BPSK) or using a non-linear element of the fourth degree when receiving radio signals with quadrature phase shift keying (QPSK). As is known, when the value of the information signal changes, the phase of the BPSK radio signal changes by 180°. The squaring operation removes the modulation and doubles the frequency of the signal.
Квадратирование, таким образом, приводит к фазокогерентной частотной компоненте на удвоенной частоте несущей 2fc. Фильтруемая компонента на частоте 2fc затем используется для управления петлей ФАПЧ, состоящей из перемножителя 7, петлевого фильтра 8 и генератора, управляемого напряжением, 9. Выходной сигнал генератора 9, делится на два делителем частоты 10, чтобы генерировать синхронную несущую для демодуляции сигнала.The squaring thus results in a phase-coherent frequency component at twice the carrier frequency 2f c . The filtered component at frequency 2f c is then used to drive a PLL loop consisting of a
Недостатком устройства-прототипа является наличие фазовой ошибки слежения за фазой несущей. Операция квадратирования ведет к обогащению шума, что увеличивает уровень шумовой мощности на входе ФАПЧ и ведет к увеличению дисперсии фазовой ошибки. Как показано в [5, стр. 638], при входном отношении сигнал/шум 10 дБ использование способа возведения в четвертую степень (что необходимо при приеме сигнала с QPSK) будет приводить к потерям в 2,9 дБ.The disadvantage of the prototype device is the presence of a phase error tracking the carrier phase. The squaring operation leads to noise enrichment, which increases the noise power level at the PLL input and leads to an increase in phase error variance. As shown in [5, p. 638], with an input signal-to-noise ratio of 10 dB, using the method of raising to the fourth power (which is necessary when receiving a signal with QPSK) will lead to a loss of 2.9 dB.
Фазовые ошибки слежения за фазой, несущей приводят к энергетическим потерям, которые показывают, насколько нужно увеличить отношение сигнал/шум на входе приемного устройства, чтобы получить потенциально возможную вероятность битовой ошибки [6, стр. 47].Phase tracking errors of the carrier phase lead to energy losses, which show how much it is necessary to increase the signal-to-noise ratio at the input of the receiving device in order to obtain the potential bit error probability [6, p. 47].
Задача, на которую направлено предлагаемое техническое решение, состоит в уменьшении энергетических потерь путем снижения величины фазовой ошибки слежения за фазой несущей частоты.The task to which the proposed technical solution is directed is to reduce energy losses by reducing the magnitude of the phase error of tracking the phase of the carrier frequency.
Для решения поставленной задачи в устройство восстановления несущей, содержащее последовательно соединенные перемножитель, петлевой фильтр, генератор, управляемый напряжением и делитель частоты, выход которого является выходом устройства, при этом выход генератора, управляемого напряжением, соединен с вторым входом перемножителя, согласно изобретению , введены последовательно соединенные первый пороговый блок, дифференцирующая цепь, ключ, колебательный контур и второй пороговый блок, выход которого соединен с первым входом перемножителя, при этом второй вход ключа соединен с источником постоянного тока; вход первого порогового блока является входом устройства.To solve this problem, a carrier recovery device containing a serially connected multiplier, a loop filter, a voltage-controlled oscillator and a frequency divider, the output of which is the output of the device, while the output of the voltage-controlled oscillator is connected to the second input of the multiplier, according to the invention , are introduced in series connected the first threshold unit, the differentiating circuit, the key, the oscillatory circuit and the second threshold unit, the output of which is connected to the first input of the multiplier, while the second input of the key is connected to a DC source; the input of the first threshold block is the input of the device.
На фиг. 2 приведена функциональная схема заявляемого устройства восстановления несущей, где введены следующие обозначения:In FIG. 2 shows a functional diagram of the proposed carrier recovery device, where the following designations are introduced:
1 - первый пороговый блок;1 - the first threshold block;
2 - дифференцирующая цепь;2 - differentiating circuit;
3 - ключ;3 - key;
4 - источник постоянного тока;4 - direct current source;
5 - колебательный контур;5 - oscillatory circuit;
6 - второй пороговый блок;6 - second threshold block;
7 - перемножитель;7 - multiplier;
8 - петлевой фильтр;8 - loop filter;
9 - генератор, управляемый напряжением;9 - voltage controlled generator;
10 - делитель частоты.10 - frequency divider.
Заявляемое устройство содержит последовательно соединенные первый пороговый блок 1, дифференцирующую цепь 2, ключ 3, колебательный контур 5, второй пороговый блок 6, перемножитель 7, петлевой фильтр 8, генератор, управляемый напряжением 9 и делитель частоты 10, выход которого является выходом устройства. При этом перемножитель 7, петлевой фильтр 8 и генератор 9 образуют петлю ФАПЧ. Вход перемножителя 7 является входом петли ФАПЧ, а выход генератора, управляемого напряжением 9 соединен с вторым входом перемножителя 7. Источник постоянного тока 4 соединен со вторым входом ключа 3. Вход первого порогового блока 1 является входом устройства.The claimed device contains connected in series the
Заявляемое устройство восстановления несущей работает следующим образом.The inventive carrier recovery device operates as follows.
Модулированный BPSK-сигнал (фиг. 3а) на частоте Fc поступает на первый пороговый блок 1 с нулевым порогом, на выходе которого образуется последовательность однополярных прямоугольных импульсов (фиг. 3б). Передние фронты импульсов следуют с периодичностью Т = 1/Fc на протяжении передаваемого информационного символа, допустим «1». Если по окончании символа «1» будет следовать символ «0», то последовательность передних фронтов сместится на полпериода относительно предыдущей последовательности, представляющей символ «1».The modulated BPSK signal (Fig. 3a) at frequency F c is fed to the
Последовательность однополярных прямоугольных импульсов (фиг. 3б), поступает далее на вход дифференцирующей цепи 2, на выходе которой появляются положительные и отрицательные короткие импульсы (фиг. 3в). Моменты появления этих импульсов совпадают, соответственно, с передними и задними фронтами последовательности однополярных прямоугольных импульсов. Короткие положительные импульсы с выхода дифференцирующей цепи 2 поступают на управляющий вход ключа 3 и открывают его на время действия положительных импульсов. Отрицательные импульсы с выхода дифференцирующей цепи 2 оставляют ключ 3 в запертом состоянии. При открывании ключа 3 конденсатор колебательного контура 5 начинает заряжаться от источника постоянного тока 4 через ключ 3. Затем ключ 3 закрывается, а в колебательном контуре 5 начинается колебательный процесс на собственной частоте контура, настроенного на частоту 2∙Fc (фиг. 3г). При этом расходуется энергия, запасенная в конденсаторе за время, в течение которого ключ 3 был открыт. В случае приема сигнала BPSK резонансная частота колебательного контура 5 выбирается равной удвоенной частоте 2Fc несущей входного модулированного сигнала. Колебание с частотой 2Fc поступает на вход порогового блока 6 с порогом срабатывания Uпор = 0, где преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов (фиг. 3д). Эта последовательность поступает затем на вход перемножителя 7, являющегося входом петли ФАПЧ, генератор, управляемый напряжением 9 которой захватывается на частоте 2Fc. Выходной сигнал генератора, управляемого напряжением 9, делится на два делителем частоты 10, вырабатывая восстановленное несущее колебание (фиг. 3е).A sequence of unipolar rectangular pulses (Fig. 3b) is then fed to the input of the differentiating
Поскольку заряд конденсатора колебательного контура 5 от источника постоянного тока 4 происходит очень быстро, колебательный процесс в контуре 5 также возникает без задержки. Если перед началом пакета сигнала на выходе контура напряжение близко к нулю, то процесс установления фазы колебания на его выходе мгновенный [6, стр. 100].Since the charge of the capacitor of the
Каждый короткий положительный импульс с выхода дифференцирующей цепи 2 возбуждает колебательный процесс в колебательном контуре 5, который является затухающим. Однако, следующие друг за другом короткие положительные импульсы, открывающие ключ 3, через который источник постоянного тока 4 подзаряжает конденсатор колебательного контура 5, поддерживают колебания в контуре, благодаря чему последовательность прямоугольных тактовых импульсов вырабатывается непрерывно.Each short positive pulse from the output of the differentiating
В случае приема сигнала BPSK колебательный контур настроен на резонансную частоту 2fc, а при приеме сигнала QPSK колебательный контур имеет резонансную частоту 4fc.In the case of receiving a BPSK signal, the oscillatory circuit is tuned to a resonant frequency of 2f c , and when receiving a QPSK signal, the oscillating circuit has a resonant frequency of 4f c .
Работа предлагаемого устройства при приеме сигнала QPSK иллюстрируется на фиг. 4. Модулированный QPSK сигнал, поступающий на вход устройства, показан на фиг. 4а. На фиг. 4б показана последовательность однополярных прямоугольных импульсов на выходе первого порогового блока 1. На выходе дифференцирующей цепи 2 вырабатываются положительные и отрицательные короткие импульсы (фиг. 4в). На фиг. 4г показан колебательный процесс на собственной частоте колебательного контура, настроенного на частоту 4∙Fc. Эти колебания поступают на вход порогового блока 6 с порогом срабатывания Uпор = 0, где преобразуются в последовательность прямоугольных импульсов (фиг. 4д). Эта последовательность поступает затем на вход перемножителя 7, являющегося входом петли ФАПЧ, генератор, управляемый напряжением 9 которой захватывается на частоте 4Fc. Выходной сигнал генератора, управляемого напряжением 9, делится на четыре делителем частоты 10, вырабатывая восстановленное несущее колебание (фиг. 4е).The operation of the proposed device when receiving a QPSK signal is illustrated in Fig. 4. The modulated QPSK signal input to the device is shown in FIG. 4a. In FIG. 4b shows a sequence of unipolar rectangular pulses at the output of the
Таким образом, в предлагаемом устройстве исключается операция возведения сигнала в квадрат или в четвертую степень, что приводит к уменьшению энергетических потерь путем снижения величины фазовой ошибки слежения за фазой несущей частоты.Thus, in the proposed device, the operation of squaring the signal or to the fourth power is excluded, which leads to a decrease in energy losses by reducing the magnitude of the phase error of tracking the phase of the carrier frequency.
Источники информацииInformation sources
1. Окунев Ю.Б. Цифровая передача информации фазомодулированными сигналами. М.: Радио и связь, 1991.1. Okunev Yu.B. Digital transmission of information by phase-modulated signals. Moscow: Radio and communication, 1991.
2. Прокис Дж. Цифровая связь. М.: Радио и связь, 2000.2. Prokis J. Digital communication. M.: Radio and communication, 2000.
3. Патент RU 2376718 С1. Демодулятор системы связи с двукратной фазовой модуляцией. Опубликовано 20.12.2009. Бюл. № 35.3. Patent RU 2376718 C1. Demodulator of a communication system with double phase modulation. Published on 12/20/2009. Bull. No. 35.
4. В. Линдсей. Системы синхронизации в связи и управлении. М.: Сов. радио, 1978.4. W. Lindsay. Synchronization systems in communication and control. M.: Sov. radio, 1978.
5. Бернард Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. М.: Издательский дом «Вильямс», 2003.5. Bernard Sklyar. Digital communication. Theoretical foundations and practical application. Moscow: Williams Publishing House, 2003.
6. Банкет В.Л., Дорофеев В.М. Цифровые методы в спутниковой связи. М.: Радио и связь, 1988.6. Banquet V.L., Dorofeev V.M. Digital methods in satellite communications. Moscow: Radio and communication, 1988.
Claims (3)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2797823C1 true RU2797823C1 (en) | 2023-06-08 |
Family
ID=
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS545314A (en) * | 1977-06-14 | 1979-01-16 | Nec Corp | Pick up unit of offset qpsl synchronous signal |
JPS5464962A (en) * | 1977-11-01 | 1979-05-25 | Mitsubishi Electric Corp | Reference carrier regenerator circuit |
SU1559420A1 (en) * | 1987-12-09 | 1990-04-23 | Войсковая Часть 32103 | Device for restoring carrier of phase-frequency-manipulated signal |
RU2044409C1 (en) * | 1992-06-29 | 1995-09-20 | Ростовский научно-исследовательский институт связи | Device for recovery of carrier frequency of phase- manipulated signals |
JP2812347B2 (en) * | 1992-02-17 | 1998-10-22 | 日本電気株式会社 | Resynchronous demodulator |
JP2838962B2 (en) * | 1993-08-26 | 1998-12-16 | 日本電気株式会社 | Carrier recovery method |
RU2376718C1 (en) * | 2008-10-06 | 2009-12-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения" | Demodulator for communication system with double phase modulation |
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS545314A (en) * | 1977-06-14 | 1979-01-16 | Nec Corp | Pick up unit of offset qpsl synchronous signal |
JPS5464962A (en) * | 1977-11-01 | 1979-05-25 | Mitsubishi Electric Corp | Reference carrier regenerator circuit |
SU1559420A1 (en) * | 1987-12-09 | 1990-04-23 | Войсковая Часть 32103 | Device for restoring carrier of phase-frequency-manipulated signal |
JP2812347B2 (en) * | 1992-02-17 | 1998-10-22 | 日本電気株式会社 | Resynchronous demodulator |
RU2044409C1 (en) * | 1992-06-29 | 1995-09-20 | Ростовский научно-исследовательский институт связи | Device for recovery of carrier frequency of phase- manipulated signals |
JP2838962B2 (en) * | 1993-08-26 | 1998-12-16 | 日本電気株式会社 | Carrier recovery method |
RU2376718C1 (en) * | 2008-10-06 | 2009-12-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения" | Demodulator for communication system with double phase modulation |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ПРОКИС ДЖ. Цифровая связь. М.: Радио и связь, 2000. 800 с. С.301 рис. 6.2.12. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US3305636A (en) | Phase-shift data transmission system having a pseudo-noise sync code modulated with the data in a single channel | |
US5136614A (en) | Spread spectrum communication system | |
US6854058B2 (en) | Low-interference communications device using chaotic signals | |
CN106656168A (en) | Clock data restoration device and method | |
US4215239A (en) | Apparatus for the acquisition of a carrier frequency and symbol timing lock | |
JPH03224330A (en) | Spread spectrum signal demodulation circuit | |
RU2431919C1 (en) | Correlation receiver of noise-like signals | |
RU2797823C1 (en) | Carrier recovery device | |
JPS5835428B2 (en) | Carrier wave regeneration circuit | |
CA2260456A1 (en) | A frequency-locked loop with gated reference and vco inputs | |
CN1889550A (en) | Unified binary phase modulating and demodulating method | |
US3932705A (en) | Psk telemetering synchronization and demodulation apparatus including an ambiguity eliminating device | |
Hernández et al. | A superregenerative receiver for phase and frequency modulated carriers | |
RU2307474C1 (en) | Method for receipt of noise-like signals with minimal frequency manipulation | |
RU2248097C2 (en) | Method for transmitting information | |
RU2383991C2 (en) | Digital phase-locked loop system (versions) | |
CN101986569B (en) | Digital costas loop | |
US4686689A (en) | Phase-locked loop circuit | |
JPH03273724A (en) | Spread spectrum communication system | |
RU2542574C1 (en) | Method of correlation reception of phase-manipulated signals | |
RU2323536C1 (en) | Method for receiving noise-like frequency-manipulated signals with continuous phase | |
CN109861718B (en) | Chirp signal generator, Chirp communication system and method for generating Chirp signal | |
Shevyakov et al. | Carrier recovery techniques analysis for PSK signals | |
SU907859A1 (en) | Frequency-manipulated signal receiving device | |
EP0369375B1 (en) | Spread spectrum communication receiving apparatus |