Телекомунікаційні системи та мережі. Том 1. Структура й основні функції.  /  Зміст  /  Розділ 8. Системи синхронізації   /  Тема 8.2. Фазова (частотна) синхронізація

Зміст:

8.2.1. Система ФАПЧ як пристрій фільтрації невідомої фази сигналу

Фазова синхронізація приймача забезпечує формування опорної напруги під час когерентної обробки сигналів. За способом формування опорної напруги приймача можна розглядати системи синхронізації двох типів:

  • систему, у якій синхронізація частоти й фази опорного коливання виробляється за пілот-сигналом, який передається по окремому каналу;
  • систему, у якій значення частоти й фази опорного коливання визначаються в результаті обробки інформаційного сигналу.

Складнішою є система синхронізації іншого типу, оскільки вона має виконувати над прийнятим сигналом певні операції, що дозволяють оцінити фазу й частоту прийнятих коливань. В основу пристроїв фазової синхронізації покладено принцип фазового автопідстроювання частоти.

Схему базового контуру ФАПЧ показано на рис. 8.2.1. Контур ФАПЧ самокерований, причому управляючим параметром є фаза генеруючої копії прийнятого носійного сигналу. Базовий контур ФАПЧ складається із трьох основних компонентів: фазового детектора, контурного фільтра нижніх частот (ФНЧ) й генератора, що управляється напругою (ГУН).

Рис. 8.2.1. Схема фазового автопідстроювання частоти

ГУН — це пристрій, що створює копію носійної частоти приймального інформаційного сигналу. Цей генератор є генератором синусоїдального коливання, частота якого управляється рівнем напруги на вході пристрою.

Фазовий детектор — це пристрій, що вимірює розбіжність фаз носійної частоти приймаючого сигналу й опорного коливання ГУН. Якщо приймальний сигнал і опорне коливання змінюються один відносно одного, то їхня неузгодженість за фазою φy – φx = Δφ у вигляді залежного від часу сигналу e(t) надходить на контурний фільтр. Контурний фільтр формує відгук контуру ФАПЧ на ці зміни сигналу. Контур ФАПЧ повинен мати можливість відслідковувати зміни фази приймального сигналу й не має бути надмірно сприйнятливим до шуму приймача. На рис. 8.2.1 фазовий детектор показаний як помножувач, контурний фільтр описується власною імпульсною характеристикою f(t) і її Фур’є-образом F(ω). ГУН — це генератор, вихідна частота якого є лінійною функцією вхідної напруги (у робочому діапазоні частот). Додатна вхідна напруга призведе до того, що вихідна частота ГУН буде вищою за номінальне значення ω0, тоді як негативна напруга призведе до того, що частота ГУН буде меншою за це значення. Синхронізація за фазою досягається шляхом подачі відфільтрованого значення напруги сигналу помилки, що відповідає неузгодженості за фазою між вхідним сигналом y(t) і вихідною напругою з ГУН x(t), на вхід ГУН (на рис. 8.2.1 ця функція позначена як y(t)).

Для сучасних цифрових приймачів фазовий детектор може бути набором кореляторів (погоджених фільтрів), кожний з яких служить для зіставлення з певним значенням зсуву фаз, з наступною подачею на вхід ГУН зваженої суми сигналів з виходів цих кореляторів. Вихід вагової функції може бути оцінкою неузгодженості за фазою. Така функція може бути математично дуже складною, але її легко апроксимувати, використовуючи сучасні цифрові технології. ГУН не обов’язково має бути генератором синусоїдального сигналу, він може бути реалізований як постійна пам’ять, параметри якої управляються таймером і виходом пристрою оцінки неузгодженості за фазою. Контур зворотного зв’язку не обов’язково має бути безперервним (як на рис. 8.2.1), а корекція фази може виконуватися тільки один раз на кадр або один раз на пакет, залежно від структури сигналу. У інформаційного потоку може вводитися спеціальний заголовок або відома послідовність символів, які полегшуватимуть процес синхронізації. Однак, незважаючи на ці очевидні відмінності, основні елементи всіх схем ФАПЧ подібні з показаними на рис. 8.2.1.

Розглянемо можливості фазового автопідлагоджування частоти на підставі теорії нелінійної фільтрації невідомої фази сигналу. Нехай на вхід приймального пристрою надходить адитивна суміш інформаційного сигналу S(t, φ(t)) і білого шуму n(t) зі спектральною щільністю потужності N0

y(t) = S(t, φ(t)) + n(t),(8.2.1)

де S(t, φ) = Acos[ω0t + φ(t)] — вузькосмуговий радіосигнал із флуктуючою фазою; φ(t) — випадковий процес, який заданий рівнянням

dφ/dt = nφ(t), M(nφ(t1)nφ(t2)) = (N0/2)δ(t2t1).(8.2.2)

Отримаємо квазіоптимальний алгоритм ФАПЧ. Запишемо рівняння квазіоптимальної оцінки фази

(8.2.3)

Доданок, що містить не відіграє суттєвої ролі, його можна не враховувати. Тоді маємо

(8.2.4)

Вираз (8.2.4) визначає алгоритм фазового автопідлагоджування частоти, який може бути реалізований системою, структурну схему якої зображено на рис. 8.2.1. Згідно з рівнянням (8.4) у складі пристрою ФАПЧ є генератор коливань , частоті ω0 якого передається відхилення , пропорційно добутку на y(t). З урахуванням наближеної рівності рівняння для дисперсії фазової неузгодженості R(t) має вигляд:

(8.2.5)

У стаціонарному режимі роботи при більших відношеннях сигнал/шум типову схему ФАПЧ можна розглядати як найкращий пристрій, що стежить за випадковою фазою радіосигналу.

У системах цифрового зв’язку, у яких опорне коливання виділяється з інформаційного сигналу, основною проблемою є перетворення модульованого сигналу в гармонічне коливання на носійній частоті (зняття маніпуляції).

Розглянемо основні способи відновлення коливань на носійній частоті в системах зв’язку з фазовою модуляцією.