Цифрова обработка за кохерентна демодулация на сигнали

А. Парамонов, О. Куропаткин

Демодулаторите играят важна роля в съвременните радиосистеми за предаване на информация (RTS), тъй като те са основните, които определят шумоустойчивостта на предаването на информация.

Основните направления в усъвършенстването на демодулаторите в момента са използването на цифрова обработка на сигнала (DSP) и преходът от аналогов сигнал към цифров сигнал на междинна честота.

Използването на DSP осигурява значителни предимства пред традиционните аналогови решения, основните от които са:

стабилност на параметрите на обработка;
възможността за автоматично адаптиране към условията на приемане;
възможността за създаване на универсални демодулатори както по отношение на тактовата честота, така и по вида на модулацията, чиято структура се определя от програмата, а хардуерът остава непроменен.

Преходът от аналогов сигнал към цифров сигнал с междинна честота елиминира недостатъците на аналоговия метод за генериране на квадратурни сигнали, като ниска стабилност и линейност, неидентичност на каналите, нарушение на квадратурата и трудности при филтриране.

Използването на съвременна елементна база (цифрови сигнални процесори (DSP) и полеви програмируеми логически интегрални схеми (FPGA)) в демодулатори при внедряване на DSP алгоритми позволява да се намали теглото, размерите и цената на устройството и значително да се повиши неговата надеждност.

Максималната тактова честота на сигналите, с които демодулаторите, реализирани с помощта на DSP с общо предназначение, могат да работят, не надвишава стотици kHz. Максималната тактова честота на сигналите за демодулатори, реализирани с помощта на FPGA, е десетки MHz.

Микроелектронната елементна база се развива бързо, което позволява да се опрости разработката, да се намали обемът и консумацията на енергия и да се подобрят характеристиките на демодулаторите. Появиха се микросхеми на усилвател на междинна честота с регулируемо усилване, микросхеми на квадратурния сигнал, микросхеми за директен синтез на честота, високоскоростни широколентови ADC и, което трябва да се отбележи, специализирани сигнални процесори.

Производителите на ASIC (по-специално Intersil и Graychip) предлагат комплекти от специализирани сигнални процесори, предназначени за изграждане на висококачествени, високоскоростни сигнални демодулатори. Те включват функционални блокове, с които можете да реализирате определени DSP алгоритми. Това са преди всичко филтри с ограничена импулсна характеристика (FIR) (включително филтри с децимация или интерполация), както и интегратори с нулиране, квадратурни умножители, контролирани синусови и косинусови генератори на проби, устройства за превключване от една честота на дискретизация към друга с помощта на интерполационни филтри (в чуждестранната литература такива устройства се наричат "Resampler"), детектори за ниво на сигнала, вериги за автоматично регулиране на усилването (AGC), детектори и филтри на носеща синхронизация контури за хронизиране и тактови честоти, индикатори за улавяне, търсачи на сигнали по носеща честота, генератори на меки решения за декодиране на кодове за коригиране на грешки. Конфигурацията на специализираните сигнални процесори и параметрите на техните функционални блокове се определят от програмата.

За съжаление наличната документация за специализирани сигнални процесори не дава отговори на много въпроси, които имат разработчиците.Някои от тях се свеждат до следното:

защо даден функционален блок е реализиран по този начин (например квадратурен сигнален семплер от сигнални проби на междинна честота и т.н.);
как да изберете параметрите на функционалните блокове (по-специално параметрите на филтрите на контурите за автоматично управление на демодулатора);
как да направите едно или друго устройство на базата на съществуващите функционални блокове (например коректор на междусимволно изкривяване) и др.

В най-добрия случай се дават връзки към чуждестранна техническа литература, с която руските разработчици не винаги успяват да се запознаят.

Предлагаме на вниманието на читателите първата статия от поредицата „Теоретични основи на съвременната елементна база на високоскоростни радиодемодулатори“.

Постоянно нарастващите изисквания за качеството на предаване на информация по радиоканал с влошени условия на приемане налагат използването на сложни алгоритми за обработка на сигнали (компенсация на междусимволно изкривяване, приемане на разнообразие, потискане на концентрирани смущения и др.). Внедряването на тези алгоритми на базата на аналогова технология в повечето случаи се оказва недопустимо скъпо и неточно поради разпръскването на параметрите на елементите и въздействието на дестабилизиращи фактори. При използване на цифрова обработка на сигнала (DSP) тези фактори не влияят върху точността на избраните алгоритми. Понастоящем степента на интеграция на цифровите микросхеми позволява да се реализират дори много сложни алгоритми за приемане на сигнали с приемливо количество и цена на оборудването.

Делът на модемите непрекъснато нараства в общата цена на оборудването за системи за предаване на информация (TTS). Съвременните SPI се различават както по скоростта на пренос на информация, така и по използваните модулационни методи. С аналоговобработка, това води до необходимостта от създаване на различни по структура модеми. Използването на DSP ви позволява да създавате универсални модеми, които ви позволяват бързо да превключите към различна скорост на трансфер на данни и различен метод на модулация, като промените програмата, която определя тяхната конфигурация. В резултат на това цената на оборудването намалява и неговото остаряване се забавя.

Тази статия описва принципите на изграждане на цифрови кохерентни сигнални демодулатори с квадратурна амплитудна модулация QAM-M (FM-4, QAM-16, QAM-64 и др.). Разглеждат се демодулатори с аналогово-цифрово преобразуване на квадратурни сигнали и с аналогово-цифрово преобразуване на сигнал на междинна честота. Направен е анализ на реализацията на демодулатори с аналогово-цифрово (AD) преобразуване на сигнала на междинна честота върху микросхеми Intersil и Graychip.

Кохерентна демодулация с AD преобразуване на квадратурни сигнали

Една от възможните структурни диаграми на кохерентен демодулатор на сигнали с квадратурна амплитудна модулация QAM-M с аналогово-цифрово преобразуване на квадратурни сигнали I и Q е показана на фиг. 1. Усилването и филтрирането на сигнала се извършва в междинночестотния усилвател (IFA). Квадратурният формовчик (FC) прехвърля спектъра на сигнала към нулевата междинна честота и генерира квадратурни сигнали I и Q. Те се преобразуват в аналогово-цифрови преобразуватели (ADC). Информационният екстрактор (IDU) извлича данни от получения сигнал. Устройство за синхронизиране на часовник (UTS) генерира сигнал за синхронизиране на часовник, използвайки получения сигнал. Поддържането на постоянно ниво на сигнала на входовете на ADC се осъществява от устройство за автоматично регулиране на усилването (AGC). Кохерентна еталонна форма на вълнатасе формира за FK от устройството за избор на носеща честота (CHA).

Ориз. 1. Структурна схема на кохерентен демодулатор с аналогово-цифрово преобразуване на квадратурни сигнали

Квадратурният оформител (FC) се състои от два умножителя (фазови детектори), два нискочестотни филтъра (LPF) и 90° референтно колебание на фазовия превключвател (FV).

Честотата на дискретизация на сигналите в ADC е равна на двойната тактова честота на входния сигнал: fd = 2ft. За работата на времевия дискриминатор TCB е необходимо формирането на две сигнални проби на изхода на ADC за продължителността на един информационен символ Tc = 1/ft.

Устройството за извличане на информация (IUI) съдържа делител на тактова честота на 2 (DF), две устройства ( ∇ 2), които извършват децимация на сигнала (изходите на тези устройства получават всяка втора проба от входни сигнали), две устройства за вземане на решения (RD), които формират изходните данни на квадратурните канали и диференциален декодер. Капацитетът на данни на изхода на RU се определя от позиционирането на сигнала KAM-M M и е равен на (log2M)/2.

В някои случаи, когато се прилага демодулатор, сигналът към времевия дискриминатор TCB и амплитудния детектор на AGC се взема от изходите на квадратурния генератор. В същото време устройствата за синхронизация на часовника и автоматичен контрол на усилването са напълно аналогови.

ICD може също така да включва коректор на междусимволно изкривяване, който е свързан към изходите на ADC (Tc/2-интервален коректор) или към изходите на децимиращи устройства (Tc-интервален коректор).

При изграждането на универсални демодулатори, работещи на няколко тактови честоти съгласно такава структурна схема, става необходимо да се използват комутирани аналогови филтри на основния избор, коитоводи до значително увеличаване на обема на оборудването. Следователно, в универсалните демодулатори е препоръчително основното филтриране да се извърши в цифрова форма.

Демодулаторите с аналогово-цифрово преобразуване на I и Q квадратурни сигнали имат редица недостатъци:

Реалните фазови детектори извличат квадратурни компоненти с нелинейни изкривявания и с малко по-различно усилване на канала. В резултат на това, когато на входа на квадратурния формировач се подава хармоничен сигнал, на изхода му заедно с основния хармоник се появяват фалшиви, както и амплитудни и фазови изкривявания на основния хармоник. Фалшивите хармоници с честоти - D w и +3 D w ще бъдат най-големи по величина, където D w е честотната настройка между междинната честота на сигнала и честотата на еталонното трептене, идващо към компютъра от изхода на UVN. И така, при 10% разлика в усилването на канала, относителното ниво на хармоника с честота - D w, по отношение на основната, достига -17 dB (с 1% разлика - -40 dB).
Подобни изкривявания и фалшиви сигнали се причиняват от отклонение от 90° на фазовата разлика на еталонните трептения, приложени към фазовите детектори на компютъра.
Допълнителни изкривявания се причиняват от неидентичност и несъвършенство на аналоговите нискочестотни филтри.

Преобразуването на аналогово-цифровия сигнал при междинна честота елиминира тези недостатъци, но изисква усилване на сигнала с междинна честота до няколко волта и използването на по-бърз и по-широколентов аналогово-цифров преобразувател на входа.

Формиране на показания на квадратурни компоненти при AD-преобразуване на сигнал на междинна честота

При аналогово-цифрово преобразуване при междинна честота, спектърът на сигнала, за да се избегне спектраленизкривяване, трябва да се намира в една от спектралните ленти, разделени от честоти 0.5ifd, където i = 0.1.2. Следователно, при ширина на спектъра на сигнала на входа на ADC D fin » 2ft, трябва да бъдат изпълнени следните условия:

fd > 4 фута

където ff е междинната честота на сигнала, i = 0.1.2.

Има два начина за формиране на показания на квадратурни компоненти по време на аналогово-цифрово преобразуване на сигнал на междинна честота:

използва се преобразуването на Хилберт (TG) и прехвърлянето на спектъра на сигнала по честотната ос със стойността fd/4 с помощта на комплексен умножител (CF) (фиг. 2). Тук m = 0,1,2. ; sin( p m/2) приема стойностите, а cos( p m/2) приема стойностите;

Ориз. 2. Квадратурен сигнален дискретизатор с Хилбертова трансформация

Ориз. 3. Квадратурен сигнален семплер, използващ LPF

По принцип като нискочестотен филтър (фиг. 3) можете да използвате нискочестотен филтър с децимация 2, докато показанията на квадратурните компоненти на изхода на компютъра ще следват с честота fd / 2. Същият резултат може да се получи с помощта на по-проста схема (фиг. 4). Тук, в демултиплексора (DM), извадките на входния сигнал се разделят на четни и нечетни, на изходите на умножителите знакът на всяка втора проба е обърнат, коефициентите на тегло на LPF1 са равни на коефициентите на четно тегло на LPF на фиг. 3, тегловните коефициенти на LPF2 са равни на нечетните тегловни коефициенти на LPF на фиг. 3.