Частотная и фазовая синхронизация

Синхронизация приемника

Все системы цифровой связи требуют определенной синхронизации сигналов, поступающих в приемник. В данном разделе рассматриваются основы синхронизации различных уровней. Обсуждение начинается с рассмотрения основных уровней синхронизации, требуемых для когерентного приема, — частотной и фазовой — и краткого обсуждения структуры и принципов работы схем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Затем рассматривается символьная синхронизация. В некоторой степени символьная синхронизация требуется всем цифровым операциям приема (когерентным и некогерентным). В заключение раздела описывается кадровая синхронизация приемника и методы ее получения и поддержания.

Фактически во всех схемах синхронизации имеется определенная разновидность контура Фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). В современных цифровых приемниках опознать этот контур может быть трудно, но его функциональный эквивалент присутствует практически всегда. Схематическая диаграмма основы контура ФАПЧ показана на рис. 1. Контуры ФАПЧ самоуправляемы, причем управляющим параметром является фаза локально генерируемой копии поступающего несущего сигнала. Контуры ФАПЧ состоят из трех основных компонентов: детектора фазы, контурного фильтра и генератора, управляемого напряжением (ГУН). Детектор фазы — это устройство, измеряющее различия фаз поступающего сигнала и локальной копии. Если поступающий сигнал и его ло­кальная копия изменяются относительно друг друга, то эта разность фаз (или рассогласование по фазе) — это зависимый от времени сигнал, поступающий на контурный фильтр. Контурный фильтр регулирует отклик контура ФАПЧ на эти изменения сигнала. Качественно спроектированный контур должен иметь возможность отслеживать изменения фазы поступающего сигнала и не должен быть чрезмерно восприимчив к шуму приемника. Генератор, управляемый напряжением, — это устройство, создающее копию несущей. Данный генератор, как можно догадаться из названия, является генератором синусоидального сигнала, частота которого управляется уровнем напряжения на входе устройства. На рис. 1 детектор фазы показан как умножитель, контурный фильтр описывается собственной импульсной характеристикой f(t) и ее Фурье-образом F(w) и также соответствую­щим образом обозначен генератор, управляемый напряжением.

Рис. 1. Схема контура фазовой автоподстройки частоты

ГУН — это генератор, выходная частота которого является линейной функцией входного напряжения (в определенном рабочем диапазоне частот). Положительное входное напряжение приведет к тому, что выходная частота ГУН будет выше неуправляемого значения w₀, тогда как отрицательное напряжение приведет к тому, что частота ГУН будет меньше этого значения. Синхронизация по фазе достигается путем подачи фильтрованной версии разности фаз (т.е. рассогласования по фазе) между входным сигналом r(t) и выходным сигналом с ГУН х(t), который возвращается на вход ГУН (на рис. 1 эта функция обозначена как y(t)).

Для современных цифровых приемников детектор рассогласования может быть сложнее математически, чем это показано на рис. 1. Например, детектор рассогласования может представлять собой набор корреляторов (согласованных фильтров), каждый из которых согласовывается с иным сдвигом фаз, с последующей подачей на вход ГУН взвешенной суммы (весовой функции) сигналов с выходов этих корреляторов. Выход весовой функции может представлять собой оценку рассогласования по фазе. Подобная функция может быть математически очень сложной, но ее легко аппроксимировать, используя современные цифровые технологии. Генератор, управляемый напряжением, не обязательно должен быть генератором синусоидального сигнала, он может быть реализован как постоянное запоминающее устройство, указатели которого определяют местный таймер и выход устройства оценки рассогласования по фазе. Контур обратной связи не обязательно должен быть непрерывным (как на рис. 1), а коррекция фазы может производиться только один раз на кадр или один раз на пакет, в зависимости от структуры сигнала. В информационный поток может вводиться специальный заголовок или известная последовательность символов, которые будут облегчать процесс синхронизации. И все же, несмотря на эти очевидные различия, основные элементы всех схем ФАПЧ сходны с показанными на рис. 1. Рассмотрим нормированный входной сигнал следующего вида.

(1)

Здесь w₀ — номинальная несущая частота, а q(t) — медленно меняющаяся фаза. Подобным образом рассмотрим нормированный выходной сигнал генератора, управляемого напряжением.

(2)

На выходе детектора фазы эти сигналы дадут выходной сигнал рассогласования следующего вида.

(3)

Пусть контурный фильтр является фильтром нижних частот, тогда второй член правой части выражения (3) будет отфильтрован и им можно пренебречь. (Предположение фильтра нижних частот является разумным решением при проектировании контур Фильтр нижних частот дает сигнал рассогласования, являющийся функцией исключительно разности фаз между входом (формула (1)) и выходом ГУН формула 2) Это именно тот сигнал, который нам нужен. Выходная частота ГУН является производной по времени от аргумента синусоиды из уравнения (2). Если предположить, что w₀ — это неуправляемая частота ГУН (частота на выходе при нулевом входном напряжении), отличие выходной частоты ГУН от w₀ можно выразить как производную времени от фазового члена . Выходная частота ГУН является линейной функцией входного напряжения. Следовательно, поскольку выходное нулевое напряжение дает выходную частоту w₀, отличие выходной частоты от w₀ будет пропорционально значению выходного напряжения y(t).

(4)

Здесь Dw(t) обозначает разность частот, знак * — свертку (см. приложение А), а при последнем преобразовании использовалось приближение малых углов (т.е. . Приближение малых углов справедливо при малых значениях выходного рассогласования по фазе (контур близок к синхронизации по фазе). Все сказанное выше справедливо при нормально функционирующем контуре. Множитель К₀ — это усиление ГУН, а f(t) — импульсная характеристика контурного фильтра. Данное линейное дифференциальное уравнение относительно (в котором использовано приближение малых углов) называется линеаризованным уравнением контура. Это, пожалуй, наиболее полезное соотношение при определении поведения контура при нормальной работе (когда мало рассогласование по фазе).

Дата добавления: 2014-11-08