Формирование и прием радиосигналов с использованием квадратурных схем преобразования частоты
Скачать 326.48 Kb.
|
В первой главе рассматриваются формирование, обработка и свойства информационных (модулирующих) сигналов, представленных в виде квадратурных сигналов. Даны определения первичных OFDM-сигналов, первичных групповых OFDM-, КАМ- и ДЧМ-сигналов в виде аналитических выражений. Рассмотрены устройства обработки квадратурных сигналов в современных ЦРСПИ и принципы их работы. Проведен анализ существующих в теории ОМ методов ПЧ-ОБП и методов подавления ЗК, проблемы дисбаланса квадратурных сигналов, а также осуществлена постановка научной задачи диссертации. Квадратурными будет считать пару сигналов, описываемых выражениями:  , (1) , (2)где функция  – представляет амплитуду модулирующего сигнала, а функция  – фазу модулирующего сигнала. Вещественный модулирующий сигнал  в данном случае также описывается выражением (1) и представляется в виде произведения двух функций  и  , являющихся случайными. Сигнал  называется синфазным сигналом (синфазной частью), сигнал  – квадратурным сигналом (квадратурной частью). Квадратурным сигналом часто называют и пару этих сигналов.Первичный групповой КАМ-сигнал можно записать в виде:  , (3)где  ,  ,  – синфазная компонента модулирующего сигнала k-го канала, а  – квадратурная компонента модулирующего сигнала k-го канала,  – частотный разнос между каналами (сетка частот); N – число несущих частот (число каналов, число одноканальных КАМ-сигналов),  – круговая частота первой несущей частоты. Сигналы с ФМ-2 и ФМ-4 являются частными случаями КАМ-сигнала.Первичный OFDM-сигнал можно представить в комплексном виде:  , (4)где N – число несущих в OFDM-сигнале, а первичный групповой OFDM-сигнал можно записать в комплексном виде:  , (5)где  – модулирующий символ КАМ k-й несущей;  – длительность модулирующих символов КАМ; T – интервал дискретизации; L – число каналов (число одноканальных OFDM-сигналов), N – число несущих частот в одноканальном OFDM-сигнале; l – номер канала; – круговая частота первой несущей частоты.Первичный групповой ДЧМ-сигнал можно записать в виде:  . (6)где  – значение информационного бита (0 или 1) k-го канала;  – амплитуда k-го канала;  – девиация частоты; N – число каналов (число одноканальных ДЧМ-сигналов).Квадратурные дополнения (Q) первичных сигналов можно получить, произведя сдвиг их фазы на 90 градусов. Первичные групповые сигналы считаем широкополосными сигналами, спектры которых расположены только в положительной области частот в окрестностях нулевой частоты, по аналогии с первичным OFDM-сигналом. Распространенным вариантом формирования радиосигналов является ПЧ-ОБП с помощью КМ (рисунок 1, а) при реализации ДФМ. Распространенным вариантом приема радиосигналов является их преобразование на нулевую ПЧ с помощью КД (рисунок 1, б). На рисунке 1 введены обозначения: П – перемножитель; ФВ – фазовращатель; С – сумматор, Г – вход сигнала генератора (гетеродина), I/Q – входы/выходы квадратурных каналов КМ/КД.  Рисунок 1 ДФМ и ФФМ являются двумя методами известными в теории ОМ, реализующимися с помощью КМ и КД. При ДФМ синфазная (I) и квадратурная (Q) компоненты модулирующего сигнала (рисунок 2, а), подаваемые на КМ с помощью соответственно I/Q компонент гармонического сигнала с частотой  преобразуются на эту несущую частоту. Нижние боковые полосы (БП) в полученных двух сигналах противофазны и уничтожаются при сложении в сумматоре КМ, в результате чего получается требуемый полезный радиосигнал, но амплитудный и фазовый дисбаланс квадратурных каналов КМ приводит к формированию остатка ВБП (рисунок 2, б). Рисунок 2 В КД полезный радиосигнал вместе с сигналом ЗК с помощью такого же гармонического сигнала преобразуются в квадратурные сигналы нулевой ПЧ. Ненужные высокочастотные (ВЧ) компоненты этих сигналов фильтруются. При сдвиге одного квадратурного сигнала на 90 градусов относительного второго сигнала непосредственно или в процессе демодуляции сигнала и их сложении выделяется полезный (или демодулированный) сигнал. Амплитудный и фазовый дисбаланс квадратурных каналов КД приводит к получению остатка сигнала ЗК (рисунок 2, в).Подавления ВБП или ЗК (обычно 30…40 дБ) недостаточно для формирования (требуется ~40…120 дБ) или приема (требуется обычно не менее 60 дБ) радиосигналов современных ЦРСПИ. Схема устройства, реализующего ФФМ, показана на рисунке 3. Сначала в П1 и П2 происходит квадратурное преобразование вещественного модулирующего сигнала на нулевую среднюю частоту с помощью I/Q компонент гармонического сигнала генератора низкой частоты (ГНЧ), Частота его равна средней частоте в спектре модулирующего сигнала (рисунки 4, а и 4, б).  Рисунок 3 Выделение нижних БП (рисунки 4, в и 4, г) из сигналов данного преобразования производится с помощью фильтров нижних частот (ФНЧ), в результате получаются промежуточные квадратурные сигналы I(t) и Q(t). Затем, при квадратурном преобразовании с помощью соответственно I/Q компонент гармонического сигнала частоты на эту среднюю частоту в КМ ВБП формируется внутри спектра полезного радиосигнала R(t) (рисунки 4, д и 4, е) и ее остаток в сформированном радиосигнале (рисунок 4, ж) не приводит к формированию внеполосного излучения. Рисунок 4 ФФМ обеспечивает меньший уровень внеполосного излучения, особенно при цифровой фильтрации ФНЧ, не зависящий от дисбаланса квадратурных каналов в КМ, по сравнению с ДФМ. Прием радиосигнала с помощью ФФМ происходит обратно формированию радиосигнала. Сначала в КД происходит квадратурное преобразование принимаемого радиосигнала на нулевую среднюю частоту (рисунки 4, а и 4, б). ВЧ компоненты этого преобразования фильтруются (рисунки 4, в и 4, г). Затем происходит квадратурное преобразование полученных сигналов с помощью соответственно I/Q компонент гармонического сигнала частоты  на эту среднюю частоту (рисунки 4, д и 4, е, вместо – ). Сигнал ЗК является инверсией спектра полезного сигнала, при сложении 2-х сигналов полезный сигнал будет с остатком ЗК (рисунок 4, ж).Во второй главе описана разработка нового метода ПЧ-ОБП – каскадного двухфазного метода (КДФМ). Вместо схем фильтрового метода в ФФМ (рисунок 3) для выделения БП можно использовать схемы ДФМ. Здесь сначала происходит выделение БП с помощью ДМ при квадратурном преобразовании модулирующего сигнала на нулевую среднюю частоту, а затем происходит выделение БП с помощью ДФМ при квадратурном преобразовании полученного сигнала на несущую частоту. На рисунке 5, а показана структурная схема устройства, реализующего КДФМ, где введены обозначения: В1, В2 – вычитатели;  – фазы сигнала ГНЧ. Все варианты КДФМ, получающие сигнал с верхней БП, приведены в таблице 1 и приводят к результатам (в частности, I(t) и Q(t)), аналогичным ФФМ. Дополнительно к рисунку 5, а для получения радиосигнала с ОМ используется фазовращатель для получения квадратурного сигнала из вещественного (патент №70060), для получения OFDM- или группового радиосигнала используется модулятор первичного квадратурного сигнала (патенты №75121 и №75810) по выражениям (3) – (6). Рисунок 5 Таблица 1
При использовании С1, С2, сигналы с их выходов и с выходов П1, П3, П5, П6 и С3 совпадают с сигналами показанными соответственно рисунками 4, в, г, а, б, д-ж. Спектры сигналов с выходов П2 и П4 имеют противоположную фазу верхних БП по сравнению с сигналами, показанными соответственно рисунками 4, а и 4, б. Получение промежуточных квадратурных сигналов I(t) и Q(t) и радиосигнала R(t) можно описать выражениями:  . (7) . (8) . (9)Спектр сформированного радиосигнала R(t) является сдвинутой на среднюю частоту копией спектра модулирующего сигнала (несущая частота  ).Промежуточные квадратурные сигналы в соответствии с (3) – (6) в общем случае получаются сдвигом спектров первичных квадратурных сигналов вниз по частоте на величину  , в частности, на  , в соответствии с КДФМ и ФФМ.Представим промежуточный квадратурный OFDM-сигнал в виде комплексного сигнала:  , (10)где  – число всех несущих частот в этом сигнале; здесь  – одна из ортогональных частот первичного OFDM-сигнала;  ;  – интервал дискретизации  – первая ортогональная частота.Тогда прямое формирование (без преобразования частоты) этого сигнала представим в виде суммы двух квадратурных OFDM-сигналов (в комплексном виде):  , (11) , (12)где нулевая частота модулируется только в одном сигнале. Схема синтезированного по выражениям (11) и (12) устройства, формирующего OFDM-радиосигнал, приведена на рисунке 6. В OFDM-модуляторе-1 формируется верхняя половина от спектра первичного квадратурного OFDM-сигнала, а в OFDM-модуляторе-2 – нижняя. Синфазные и квадратурные компоненты складываются соответственно в цифровых сумматорах ЦС1 и ЦС2 и преобразуются в цифроаналоговых преобразователя (ЦАП1 и ЦАП2) в аналоговый вид.  Рисунок 6 Прямое формирование промежуточного группового квадратурного OFDM-сигнала можно представить как сумму первичных одноканальных квадратурных OFDM-сигналов, преобразованных каждый на свою промежуточную частоту  в виде: , (12) , (13) , (14) , (15)где индексы B, H – обозначают сигналы верхних и нижних несущих частот каналов относительно частоты ;  – круговая промежуточная частота для l-го канала.Промежуточный групповой квадратурный КАМ-сигнал может быть напрямую сформирован путем КАМ каждой из несущих частот  и сложения полученных одноканальных квадратурных КАМ-сигналов. При точном наложении зеркальных несущих частот одноканальных сигналов в промежуточных групповых квадратурных OFDM- и КАМ-сигналов, возможно их формирование путем сложения первичных одноканальных квадратурных сигналов и преобразования частоты/модуляции относительно общих зеркальных частот (общий вид дан ниже выражениями (25) и (26), где зеркальный сигнал – более высокочастотный). При этом количество несущих до 2 раз меньше, чем в исходном групповом квадратурном сигнале. Промежуточный групповой квадратурный ДЧМ-сигнал напрямую формируется путем ДЧМ каждой из несущих частот и сложения полученных одноканальных квадратурных ДЧМ-сигналов. При этом для отрицательных несущих частот, модулируются их модули с инверсией закона модуляции (вместо 0 – 1 и наоборот). Для соответствующих случаев используются КАМ- и ДЧМ-модуляторы на заданные несущие частоты с неизменными или измененными модулирующими сигналами.Сигналы, показанные на рисунке 5, б, описываются выражениями ( – частный случай ): , (16) , (17) , (18) , (19) , (20) . (21)Исходная компонента  – часть спектра выше средней частоты, а исходная компонента  – часть спектра ниже средней частоты в спектре сигнала .Формирование радиосигнала по КДФМ можно представить как согласованное по амплитуде и фазе формирование двух радиосигналов по ДФМ по отдельности с последующим их сложением. КМ1 используется для получения по ДФМ верхней БП, то есть, части спектра сигнала R(t) выше частоты . КМ2 используется для получения по ДФМ нижней БП, то есть, части спектра сигнала R(t) ниже частоты . Схема устройства, показанная на рисунке 5, б дополняется формирователями промежуточных квадратурных сигналов без объединения сигналов для двух половин спектра в единый квадратурный сигнал.Предложен новый вариант реализации ФФМ, предназначенный для обработки квадратурного модулирующего сигнала. На рисунке 3 убирается фазовращатель Ф, сигнал ГНЧ подается на П1 и П2, сигнал  – на П2, а  – на П1 (патент №75121). Нижние БП сигналов с выходов П1 и П2 имеют соответственно обратный и такой же фазовые спектры, как и у сигналов соответственно рисунков 4, б и 4, а. Полезная БП и ВБП на выходе П3 и П4 имеют фазы соответственно 90, -90 и 90 градусов. Получаемый радиосигнал R(t) отличается от известного варианта ФФМ только фазовым сдвигом 90 градусов относительно входного сигнала. При приеме радиосигнала выходные сигналы КД имеют такую же и сдвинутую на 90 градусов фазу, как у сигналов рисунков 4, д и 4, е. |
, градусовПохожие:
 | Реферат на тему «Измерение частоты цифровым частотомером» Частотомер, входное устройство, делитель частоты, счётчик, узел управления, блок питания | | Дипломная работа содержит 134 страницы, 5 глав, 18 рисунков, 12 таблиц,... Сириус, прием, хранение и обработку этих сообщений для подтверждения выполнения задач, поставленных перед oss-платформой, и с целью... |
 | Реферат Тычинин И. А. Разработка приложения для портативных устройств... Тычинин И. А. Разработка приложения для портативных устройств с использованием qt framework, квалификационная работа на степень бакалавра... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Конспект занятия по развитию речи с использованием приемов мнемотехники и схем – моделей |
| Курсовой проект по курсу: Цифровые устройства и микропроцессоры”... Аvr mega 128, выполняющую измерение температуры (с помощью датчика температуры tmp-35) в режиме непрерывного преобразования (делитель... | | Методическая разработка урока английского языка во 2 классе. Тема урока: «Мои друзья животные» Развивать умения монологической и диалогической речи учащихся с использованием схем |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Цель: создать условия для формирования навыков выполнения буфов с использованием схем | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Цели урока: сформировать у учащихся первые навыки решения задач на составление программ с использованием блок-схем |
| Методические указания по разработке схем зеленых кормовых конвейеров... Способ реконструкции внутрихозяйственной оросительной сети с использованием мобильного оросительного оборудования 4 | | Постэмбриональный период развития. Прямое и непрямое развитие. Онтогенез человека Обучающая: Обеспечить в ходе урока усвоение особенностей постэмбрионального периода развития через заполнение схем с использованием... |
| Урок "Курская битва" Основная идея преподавателя истории – формирование рационального мышления на основе создания опорных схем и использования опорных... | | Структурная организация компьютера Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера... |
| Рабоч ая учебная программа дисциплины Схемотехника Целью преподавания дисциплины является формирование знаний в области цифровых и аналоговых электронных схем, принципов их разработки,... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Приём обучения (обучающий приём) кратковременное взаимодействие между преподавателем и учениками, направленное на передачу и усвоение... |
| Конспект занятия по развитию речи в подготовительной группе. Тема:... Конспект обычно оформляется на отдельных листах бумаги формата А4 (гарнитура шрифта – Times New Roman, кегль шрифта – 14 пт, межстрочный... | | Григорьев В. В., Дроздов В. Н. и др. Импульсные системы фазовой автоподстройки частоты Григорьев В. В., Дроздов В. Н. и др. Импульсные системы фазовой автоподстройки частоты. Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение,... |
