Устройство синхронизации тактовой и несущей частот

 

Изобретение относится к технике электросвязи и может быть использовано в каналах передачи для цифровых устройств преобразования сигналов, работающие как во временной, так и в частотной области. Технический результат - сокращение времени вхождения в синхронизм по тактовой и несущей частотам. Устройство содержит управляемый делитель 1 частоты, делитель 2 частоты, управляющий элемент 3, узел 4 выделения ошибки сигнала синхронизации тактовой частоты в частотной области, блоки 5, 12, 13 памяти, блок 6 преобразования Фурье, сумматор 7, вычитатель 8, вентиль 9, формирователь 10 управляющей величины, таймер 11, переключатель 14, оперативный запоминающий блок 15, задающий генератор 16, узел 17 синхронизации несущей частоты, блок 18 выделения ошибки синхронизации несущей частоты, генератор 19 несущей частоты, синхронный детектор 20, блок 21 управления. 1 ил.

Изобретение относится к технике электросвязи и может быть использовано в каналах передачи для цифровых устройств преобразования сигналов, работающие как во временной, так и в частотной области.

Известно устройство, содержащее управляемый делитель частоты, фазовый дискриминатор, первый и второй реверсивные счетчики, делитель частоты, элемент блокировки, дополнительный управляемый делитель частоты, дополнительный разовый дискриминатор, элемент совпадения, дополнительный делитель частоты, коммутатор сигналов, блок сравнения [1] Недостатком известного устройства является то, что оно не обеспечивает достаточно быстрого вхождения в связь при срывах связи, вызываемых импульсными помехами, коммутациями.

Наиболее близким по технической сущности является устройство, содержащее последовательно соединенные задающий генератор тактовой частоты и управляемый делитель частоты, а также первый, второй и третий блоки памяти и последовательно соединенные блок быстрого преобразования Фурье, сумматор и вычитатель, выход которого подключен к входу вентиля, а второй выход сумматора через первый блок памяти подключен к второму входу вычитателя, при этом выходы второго и третьего блоков памяти подключены к соответствующим входам управляемого делителя частоты, причем управляемый делитель частоты содержит последовательно соединенные управляющий элемент и делитель частоты [2] Недостатком известного устройства является большое время вхождения в синхронизм по тактовой и несущей частотам.

Технический результат сокращение времени вхождения в синхронизм по тактовой и несущей частотам.

На чертеже представлена структурная электрическая схема устройства синхронизации тактовой и несущей частот.

Устройство синхронизации тактовой и несущей частот содержит управляемый делитель 1 частоты, состоящий из делителя 2 частоты, управляющего элемента 3, узел 4 выделения ошибки сигнала синхронизации тактовой частоты в частотной области, состоящий из первого блока 5 памяти, блока 6 преобразования Фурье (БПФ), сумматора 7, вычитателя 8, вентиля 9, формирователя 10 управляющей величины, таймера 11, второго и третьего блоков 12, 13 памяти, переключателя 14, оперативного запоминающего блока 15, задающий генератор 16, узел 17 синхронизации несущей частоты, состоящий из блока 18 выделения ошибки синхронизации несущей частоты, генератора 19 несущей частоты, синхронный детектор 20, блок 21 управления.

Устройство синхронизации тактовой и несущей частот работает следующим образом.

С помощью управляемого делителя 1 частоты определяются моменты выделения отсчетов из принимаемого сигнала передачи данных. Решение о добавлении или вычитании необходимого количества импульсов выносится на основании сигнала тактовой ошибки.

Сигнал тактовой ошибки может быть выделен с помощью узла 4 выделения тактовой ошибки сигнала синхронизации. Для этого с выходов АЦП (синфазная и квадратурная составляющие) через переключатель 14 оперативного запоминающего блока 15 сигналы подаются на БПФ 6, с выхода которого сигналы, соответствующие частотам 600 и 3000 Гц, подаются на вход сумматора 7. Полученная сумма сигнала поступает в первый блок 5 памяти, где запоминается. От следующего цикла преобразования Фурье с выхода БПФ 6 сигналы тех же частот поступают тем же путем на сумматор 7. Затем из этой суммы с помощью вычитателя 8 вычитается сумма предыдущего цикла, записанного в первый блок 5 памяти.

После вычитания в вычитателе 8 разностный сигнал как синфазной составляющей со знаковым разрядом, так и квадратурной составляющей со знаковым разрядом поступает через вентиль 9 в блок 10 формирователя управляющей величины. В блоке 10 в общем случае из синфазной и квадратурной составляющих сигнала ошибки формируется управляющая величина в виде значения ошибки по фазе и ее знаку. Имея синфазную и квадратурную составляющие сигнала ошибки, с помощью блока 10 можно выделить значение фазы и знака сигнала ошибки синхронизации.

В усложненном варианте в блоке 10 определяется значение arc tg от частотного при делении квадратурного значения ошибки на синфазное значение ошибки и полученное значение arc tg подается на таймер 11 указанным ниже образом.

В упрощенном варианте в блоке 10 осуществляется только деление квадратурного значения на синфазное значение ошибки и значение частного подается соответственно на таймер 11.

В еще более упрощенною варианте устройства с целью сокращения вычислительных операций для выделения ошибки сигнала синхронизации использована только квадратурная составляющая ошибки синхронизации.

Это возможно в связи с тем, что квадратурная составляющая сигнала ошибки синхронизации пропорциональна сигналу ошибки фазы синхросигнала. В этом упрощенном случае функция блока 10 сводится лишь к тому, чтобы отделить значение знакового разряда ошибки синхросигнала и направить его на вход таймера 11, а на другой вход таймера 11 направить значение величины ошибки синхросигнала, вернее величины ошибки его квадратурной составляющей.

В таймере 11 в зависимости от знака ошибки значение величины ошибки подается на тот или другой канал таймера 11.

В свою очередь в зависимости от того, по какому каналу (и следовательно выходу) таймера 11 подается сигнал в управляемый целитель 1, т.е. на какой вход управляющего элемента 3 подается импульс с выхода таймера 11, на выходе управляемого делителя 1 имеем уменьшение, либо увеличение частоты тактовых импульсов. Чтобы отделить квадратурную составляющую от синфазной (эти составляющие поступают поочередно, они разделены во времени), установлен вентиль 9, на второй вход которого управляющий сигнал может подаваться от БПФ 6, либо блока 21 управления.

С выхода управляемого делителя 1 скорректированный сигнал тактовой частоты подается на вход АЦП. Таким образом, осуществляется синхронизация тактовой частоты.

В каналах связи тональной частоты с полосой пропускания 300-3400 Гц с несущей частотой 1800 Гц носителями информации о синхросигнале являются сигналы, соответствующие частотам 600 и 3000 Гц (например, для УПС 9600 с частотами синхросигнала 4800 или 9600 Гц).

Точность синхронизации может быть еще увеличена, если сигналы на входы сумматора 7 подавать с входа обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ) адаптивного корректора, работающего в частотной области (на чертеже не показан).

В связи с этим можно при вхождении в связь сигналы на сумматор 7 подавать с выхода БПФ 6, а после вхождения в связь с входа ОБПФ адаптивного корректора. Естественно, когда адаптивный корректор работает во временной области, этого сделать нельзя.

Когда адаптивный корректор работает в частотной области, синхронный детектор 20 и узел 17 синхронизации несущей частоты могут быть изъяты, поскольку несущая частота из сигнала может быть убрана с помощью адаптивного корректора, т.е. несущую частоту можно не подавать на вход блока обратного быстрого преобразования Фурье. В этом случае БПФ 6 тоже может быть изъят, поскольку необходимый сигнал на узел 4 выделения ошибки сигнала синхронизации может быть выделен с выхода БПФ адаптивного корректора, либо с выходов корректирующих элементов корректора. В тех случаях, когда синхронный детектор 20 и узел 17 синхронизации несущей частоты оставляются при наличии адаптивного корректора, работающего в частотной области, на второй вход синхронного детектора 20 сигнал снимается с входа или выхода (после вхождения в связь) корректирующего элемента, соответствующего несущей частоте.

Рассмотрим алгоритм работы устройства по части синхронизация несущей частоты. В блоке 18 выделения ошибки синхронизации сравнивается значение сигнала несущей частоты, подаваемой из БПФ 6, и сигнала автономного генератора 19 несущей частоты. Сигнал ошибки из блока 16 выделения ошибки подается на вход автономного генератора несущей частоты для его подстройки. Несущая частота как синфазной, так и квадратурной составляющих формируется в генераторе 19 несущей частоты. Подстройка синфазной и квадратурной составляющих генератора 19 несущей частоты осуществляется с помощью сигналов ошибки, поступающих из блока 18 выделения ошибки.

Автономный генератор 19 несущей частоты может быть осуществлен так же, как и в устройстве базового объекта. Блок 18 выделения ошибки несущей частоты также осуществляется по аналогии с устройством базового объекта с той однако разницей, что на первый вход блока 18 выделения ошибки несущей частоты сигнал подается не с выхода решающей схемы, а с выхода БПФ 6. В блоке 18 сигнал генератора 19 несущей частоты сравнивается с сигналом несущей частоты от БПФ 6 и с помощью сигнала ошибки подстраивается генератор 19 несущей частоты по аналогии с устройством базового объекта. Это же можно осуществить на основе вычислений полиномов.

Повышение точности тактовой синхронизации и быстрое вхождение в синхронизм объясняется тем, что при формировании сигнала тактовой частоты в рассматриваемом устройстве не мешают спектральные составляющие сигнала (в том числе несущая частота, как основная помеха для синхросигнала), которые не несут информацию о тактовой синхронизации. При формировании сигнала тактовой синхронизации используются только те составляющие спектра сигнала, которые содержат информацию о тактовом синхросигнале.

Точный (опорный) сигнал несущей частоты, применяемый для коррекции генератора сигнала несущей частоты формируется с помощью БПФ 6. Точность формирования сигнала несущей частоты определяется точностью формирования сигнала тактовой частоты, точность которого повышена, как отмечено выше. Фаза сигнала в БПФ 6 не теряется в связи с тем, что имеется как синфазная, так и квадратурная составляющие сигнала, которые обрабатываются поочередно, когда это потребуется.

На вход блока 18 выделения ошибки несущей частоты подается сигнал несущей частоты, который формируется в генераторе 19 несущей частоты. На другой вход блока 18 в определенные моменты и с соответствующей задержкой поступает точное значение сигнала несущей частоты с выхода БНФ 6, с помощью которого корректируется несущая частота, а затем скорректированная несущая частота поступает на вход синхронного детек- тора 20, с выхода адаптивного корректора АК сигнал поступает на второй вход синхронного детектора 20. Таким образом, сигнал несущей частоты корректируется не сигналом, поступающим от решающей схемы, как в существующих устройствах УПС-9.6 ТЧ и УПС-16 ТЧ, а сигналом, поступающим от БПФ 6. Это позволяет ускорить вхождение в связь. На чертеже адаптивный корректор не показан, поскольку он содержится в указанных существующих УПС, где предполагается внедрить предлагаемое устройство.

Из сигналов определенных частот, формируемых с помощью БПФ 6, две частоты, а именно: 600 Гц и 3000 Гц, подаются на сумматор 7. Эти частоты несут информацию о сигнале синхронизации тактовой частоты. Приведем пример с четырехточечным БПФ для выделения информации об ошибке синхросигнала, т.е. цикл обработки БПФ равен 4.

При канальной скорости сигнала 2400 Гц в канале связи с полосой частот 300-3400 Гц и несущей частотой 1800 Гц скорость синхронизации будет 4800 Гц. Поскольку первые и вторые выборки сигнала с помощью БПФ 6 обрабатываются раздельно, то БПФ 6 преобразует сигналы выборок, скорость которых соответствует 2400 Гц.

Таким образом, на выходе БПФ 6 имеем сигнал в частотной области со спектральными составляющими, повторяющими через 2400 Гц 4 600 Гц. Следовательно, на выходе БПФ 6 имеем спектральные составляющие сигнала следующих частот: 600, 1200, 1300, 1400, 3000 Гц. Здесь 1800 Гц несущая частота, а 600 Гц и 3000 Гц боковые частоты, которые несут информацию о тактовой частоте. Действительно, при скорости выборок 2400 Гц частотная составляющая синхросигнала равна 1200 Гц, то нижняя составляющая спектра равна 1800 Гц 1200 Гц 600 Гц, а верхняя составляющая спектра соответственно 1800 Гц + 1200 Гц 3000 Гц.

Здесь также может быть применен только сигнал другой частоты 3000 Гц или сумма сигналов обеих частот. Разумеется в первых двух случаях суммирование не требуется, поскольку с выхода БПФ 6 снимается только сигнал одной частоты, который подается в блок 5 и т.д.

По аналогии выделяется ошибка синхронизации и в случае применения восьмиточечного, шестнадцати или тридцати двух точечного БПФ. В зависимости от требований точности синхронизации и быстродействия применяется тот или иной БПФ. Причем в этих случаях также используются составляющие спектра 600 Гц и 3000 Гц, содержащие информацию о синхросигнале.

Частота несущей и тактовых колебания соответствует принятому в указанных существующих УПС. Как отмечено выше, устройство предназначается для работы в составе УПС-9,6 ТЧ и УПС-16 ТЧ. Эти УПС осуществляют передачу данных по телефонным каналам связи тональной частоты (ТЧ) в полосе частот 300 Гц 3400 Гц. Модуляция в этих УПС осуществляется в соответствии с Рекомендациями V. 29; V. 33 МККТТ, которая предполагает использование комбинированной амплитудно-фазовой модуляции для УПС-9,6 ТЧ, а для УПС-16 ТЧ квадратурно-амплитудную модуляцию (КАМ).

Уточним подробнее связь между управляющим напряжением, содержащим ошибку синхронизации, на выходе вычитателя 8 и спектральными составлявшими сигнала передачи данных.

От кодированных уровней выборок входного сигнала, снятых с единичных интервалов (временная область) синфазной или квадратурной составляющих сигнала получим после преобразования Фурье в БПФ 6 соответствующие кодированные уровни сигналов, но в частотной области. Таким образом, на выходе БПФ 6 получает кодированные уровни сигналов определенных частот спектра от кодированного уровня выборок сигнала во временной области, поданного на вход БПФ 6. От полученного на выходе БПФ 6 кодированного сигнала спектра частот можно выделить сигнал ошибки тактовой синхронизации. Для этого с помощью БПФ 6 сначала преобразуются кодированные сигналы первых выборок, затем кодированные сигналы вторых выборок соответствующих единичных интервалов синфазной или квадратурной составляющих сигнала передачи данных. Разность сумм кодированных сигналов в частотной области (определенных частот спектра) первых и вторых выборок подается в преобразованном виде от узла 4 соответственно на управляющий элемент 3 управляемого делителя 1.

В простейшем случае, когда суммы уровней определенных частот спектра от первых и вторых выборок соответствующих единичных интервалов равны, ошибка синхронизации равна 0 и т.д.

Выделение ошибки синхронизации осуществляется следующим образом.

После суммирования котированных уровней сигналов соответствующих частот спектра в сумматоре 7 сумма кодированных уровней определенных частот спектра, полученных от первых выборок соответствующих единичных интервалов, заносится в первый блок 5 памяти. Из этой суммы в вычитателе 8 вычитается сумма кодированных уровней сигналов соответствующих частот спектра от вторых выборок этих же единичных интервалов и сигнал разности через вентиль 9, формирователь 10 управляющей величины, таймер 11 и блоки 12, 13 памяти поступает на управляющий элемент 3. Причем на выходе БПФ 6 не требуется суммировать кодированные уровни сигналов всех частот боковых полос спектра, а достаточно только тех, которые в наибольшей степени несут информацию о сигнале тактовой частоты. В определенных случаях достаточно ограничиться сигналами двух (и даже одной) частот. Для выделения ошибки тактовой синхронизация можно использовать только синфазную составляющую, либо только квадратурную составляющие сигнала, либо ту и другую в зависимости от требований точности и вида сигнала.

Здесь может быть два варианта работы устройства.

1. На БПФ 6 подается демодулированный сигнал передачи данных.

2. На БПФ 6 подается модулированный сигнал передачи данных.

В первом случае несущая частота удалена из сигнала до подачи сигнала на БПФ 6. Поэтому мешающее воздействие несущей частоты на синхронизацию отсутствует. С помощью БПФ 6 здесь удаляются сигналы тех составляющих спектра, которые не нужны для синхронизации устройства, поскольку они оказывают мешающее воздействие.

Во втором случае сигнал несущей частоты (а также сигналы других не нужных для синхронизации частот спектра) из сигнала передачи данных удаляются с помощью БПФ 6.

Следовательно, мешающего воздействия на синхронизацию сигнал несущей частоты и сигналы других определенных не нужных для синхронизации частот боковой полосы не оказывают, поскольку они удалены.

Таким образом, в обоих случаях для синхронизации используются только кодированные уровни сигналов тех составляющих спектра сигнала передачи данных, которые в наибольшей степени содержат информационный сигнал о синхронизации.

В отдельных случаях, если приходящий из канала связи сигнал двуполярный, для более четкой работы синхронизации целесообразно АЦП переключить на получение однополярного сигнала, с которого снимаются выборки.

Когда осуществляется передача данных также квадратурного сигнала, то синхронизация может осуществляться следующим образом.

Сначала, например, выделяется кодированный уровень сигнала ошибки, выделяемую от кодированных уровней соответствующих частот спектра из синфазной составляющей сигнала. С помощью сигнала этой ошибки осуществляется подстройка управляемого делителя 1 частоты способом, показанным выше. Затем выделяется соответствующий сигнал ошибки синхронизации из квадратурной составляющей сигнала, с помощью которого также осуществляется соответствующая подстройка управляемого делителя 1 частоты.

Формула изобретения

Устройство синхронизации несущей и тактовой частот, содержащее последовательно соединенные задающий генератор тактовой частоты, а также первый, второй и третий блоки памяти и последовательно соединенные блок быстрого преобразования Фурье (БПФ), сумматор и вычитатель, выход которого подключен к входу вентиля, а второй выход сумматора через первый блок памяти подключен к второму входу вычитателя, при этом выходы второго и третьего блоков памяти подключены к соответствующим входам управляемого делителя частоты, причем управляемый делитель частоты содержит последовательно соединенные управляющий элемент и делитель частоты, отличающееся тем, что введены блок управления, синхронный детектор, узел синхронизации несущей частоты, состоящий из последовательно соединенных блока выделения ошибки синхронизации несущей частоты и генератора несущей частоты, а также таймер, формирователь управляющей величины и последовательно соединенные переключатель и оперативный запоминающий блок, выход которого соединен с входом БПФ, при этом выходы вентиля соединены с входами формирователя управляющей величины, выходы которого через таймер соединены с первыми входами второго и третьего блоков памяти, а выход управляемого делителя подключен к входу блока управления и является одним из выходов устройства, входами которого являются входы переключателя, причем к одному из входов вентиля подключен соответствующий выход БПФ, другие выходы которого соединены с входами блока выделения ошибки синхронизации несущей частоты, к другим входам которого подключены выходы генератора несущей частоты, а другие выходы генератора несущей частоты соединены с входами синхронного детектора, другие входы которого являются соответствующими входами устройства, соответствующими выходами которого являются выходы синхронного детектора, к соответствующим входам которого, а также к соответствующим входам блока выделения ошибки синхронизации несущей частоты, генератора несущей частоты, переключателя, оперативного запоминающего блока, БПФ, сумматора, вычитателя, формирователя управляющей величины, таймера, первого, второго и третьего блоков памяти подключены выходы блока управления, причем переключатель, оперативный запоминающий блок, БПФ, сумматор, первый, второй и третий блоки памяти, вычитатель, вентиль, формирователь управляющей величины и таймер представляют собой узел выделения ошибки сигнала синхронизации тактовой частоты в частотной области.

РИСУНКИ

Рисунок 1