Устройство синхронизации приемных устройств по несущей и тактовой частотам в системах с кодовым разделением каналов в условиях большой нестабильности частот в канале связи



Устройство синхронизации приемных устройств по несущей и тактовой частотам в системах с кодовым разделением каналов в условиях большой нестабильности частот в канале связи
Устройство синхронизации приемных устройств по несущей и тактовой частотам в системах с кодовым разделением каналов в условиях большой нестабильности частот в канале связи
Устройство синхронизации приемных устройств по несущей и тактовой частотам в системах с кодовым разделением каналов в условиях большой нестабильности частот в канале связи
Устройство синхронизации приемных устройств по несущей и тактовой частотам в системах с кодовым разделением каналов в условиях большой нестабильности частот в канале связи
Устройство синхронизации приемных устройств по несущей и тактовой частотам в системах с кодовым разделением каналов в условиях большой нестабильности частот в канале связи
Устройство синхронизации приемных устройств по несущей и тактовой частотам в системах с кодовым разделением каналов в условиях большой нестабильности частот в канале связи
Устройство синхронизации приемных устройств по несущей и тактовой частотам в системах с кодовым разделением каналов в условиях большой нестабильности частот в канале связи
Устройство синхронизации приемных устройств по несущей и тактовой частотам в системах с кодовым разделением каналов в условиях большой нестабильности частот в канале связи
Устройство синхронизации приемных устройств по несущей и тактовой частотам в системах с кодовым разделением каналов в условиях большой нестабильности частот в канале связи
Устройство синхронизации приемных устройств по несущей и тактовой частотам в системах с кодовым разделением каналов в условиях большой нестабильности частот в канале связи
Устройство синхронизации приемных устройств по несущей и тактовой частотам в системах с кодовым разделением каналов в условиях большой нестабильности частот в канале связи
Устройство синхронизации приемных устройств по несущей и тактовой частотам в системах с кодовым разделением каналов в условиях большой нестабильности частот в канале связи
Устройство синхронизации приемных устройств по несущей и тактовой частотам в системах с кодовым разделением каналов в условиях большой нестабильности частот в канале связи
Устройство синхронизации приемных устройств по несущей и тактовой частотам в системах с кодовым разделением каналов в условиях большой нестабильности частот в канале связи

 


Владельцы патента RU 2450446:

Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого МО РФ (RU)

Устройство синхронизации приемных устройств по несущей и тактовой частотам в системах с кодовым разделением каналов в условиях большой нестабильности частот в канале связи относится к области радиосвязи и может найти применение в системах беспроводного доступа, системах наземной подвижной и спутниковой связи. Достигаемый технический результат - обеспечение синхронизации приемника по несущей и тактовой частотам передатчика в многоканальных системах связи с кодовременным разделением каналов, работающих в условиях больших частотных расстроек принимаемых сигналов и жестких ограничений на энергетику. Устройство содержит управляемый генератор, управляющий элемент, два смесителя, три фильтра нижних частот, фильтр фазового детектора, фазовый детектор, опорный генератор, два полосовых фильтра, два аналого-цифровых преобразователя, цифроаналоговый преобразователь, два коррелятора, устройство цифровой обработки, частотный дискриминатор, компаратор, сумматор по модулю два, генератор псевдослучайной последовательности, управляемый тактовый генератор, пять перемножителей, фильтр петли слежения за задержкой ПСП и сумматор. 3 ил.

 

Изобретение относится к области радиосвязи и может найти применение в системах беспроводного доступа, системах наземной подвижной и спутниковой связи.

Известны системы сотовой и спутниковой связи, использующие псевдослучайные сигналы, а именно: система сотовой подвижной связи стандарта IS-95 на основе технологии многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (МДКР) (в иностранной терминологии - CDMA); система спутниковой связи «Глобалстар» (США), SAT-CDMA (Ю. Корея), SW-CDMA (Европейское космическое агентство-ESA) [1], а также перспективные системы с МДКР, такие как CDMA-450, CDMA-2000 и WCDMA. Эффективное функционирование данных систем во многом зависит от обеспечения синхронной работы их передающих и приемных устройств, которая может быть нарушена как вследствие взаимной нестабильности частот передаваемых и опорных сигналов приемника, так и вследствие эффекта Доплера.

Нестабильность частот, обусловленная указанными выше факторами, является серьезной причиной, которая затрудняет синхронизацию передающих и приемных устройств по несущей и тактовой частотам.

Известно, что если величина абсолютной нестабильности несущей частоты в канале связи соизмерима с тактовой частотой формирования сигнала преамбулы Fт, то имеет место паразитная модуляция сигнала преамбулы, что значительно затрудняет установление тактовой синхронизации приемника из-за значительного числа ошибочно принятых символов. Например, если несущая частота fн равна 14 ГГц, а ее относительная нестабильность δн равна 10-7, то абсолютная нестабильность fн составит Δfн=±fнδн=±1,4 кГц. Тогда при Fт=7 кГц и использовании фазовой или относительной фазовой модуляции каждый 5 принятый символ будет ошибочным (Fт/Δfн=7/1,4=5). Столь высокая частота возникновения ошибок из-за нестабильности частот на этапе синхронизации приемника недопустима, поэтому для обеспечения синхронной работы приемо-передающих устройств (устранения частотной расстройки принимаемого сигнала и сигнала управляемого генератора приемника) необходимо применять специальные меры.

В упомянутых выше системах синхронизация приемников по несущей и тактовой частотам осуществляется по информации (сигналу), содержащейся в преамбуле (и на интервале преамбулы), которая передается в начале сеанса связи.

Так, для устранения незначительной частотной расстройки принимаемого сигнала и сигнала управляемого генератора в известных системах широко используются системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Однако при малых отношениях с/ш в информационном канале, в условиях большой нестабильности и ограничениях на время установления синхронизации при заданной длительности преамбулы, использование ФАПЧ может оказаться проблематичным.

Например, пусть длительность преамбулы Тпр=16 мс, время установления синхронизации по несущей частоте Тсч=4 мс, тактовая частота формирования сигнала преамбулы Fт=7 кГц, требуемое отношение с/ш на выходе схемы ФАПЧ≥17 дБ, вероятность ошибки на бит принятой информации равна 10-3, что соответствует отношению с/ш в информационном канале 3 дБ, несущая частота fн равна 14 ГГц, а относительная нестабильность несущей частоты δ равна 10-7, тогда значение абсолютной величины нестабильности частоты fн составит Δfн=±1,4 кГц, т.е. максимальный диапазон изменения несущей частоты fн составит 2,8 кГц.

Тогда, исходя из динамики работы ФАПЧ ее постоянная времени τ должна обеспечивать завершение переходных процессов в схеме и составлять от времени установления синхронизации по несущей частоте величину ≤0,5Тсч. Для нашего случая τ=0,5Tсч=2 мс. Тогда полоса пропускания ФАПЧ будет составлять , а полоса схватывания при этом не может превышать 2ΔFФАП, т.е. не более 1 кГц. При этих значениях отношение с/ш на выходе ФАПЧ будет в 14 раз выше, чем в информационном канале, т.е. выше на ~11 дБ. Учитывая, что отношение с/ш в информационном канале составляет 3 дБ, отношение с/ш на выходе ФАПЧ будет составлять (11+3)=14 дБ. Из приведенных расчетов следует, что отношение с/ш на выходе ФАПЧ не достигает требуемого значения на 3 дБ, а полоса схватывания не перекрывает полосу максимального расхождения частот несущей и гетеродина. Следовательно, схема не может обеспечить требуемых характеристик синхронизации по несущей частоте.

Чтобы обеспечить требуемое качество синхронизации (отношение с/ш на выходе ФАПЧ должно быть ≥17 дБ), необходимо уменьшить полосу пропускания ФАПЧ в 2 раза, т.е. она будет составлять 0,250 кГц. Это приведет к изменению постоянной времени ФАПЧ τ с 2 мс до 4 мс и времени установления синхронизации Тсч с 4 до 8 мс. Т.е. время установления синхронизации будет равно половине длительности преамбулы, что значительно усложнит решение задач обнаружения сигнала и тактовой синхронизации на интервале преамбулы. Кроме того, полоса схватывания при этом не может превышать 2ΔFФАП (т.е. не более 500 Гц) при максимальном диапазоне изменения несущей частоты fн в 2,8 кГц.

Целью настоящего изобретения является разработка устройства, позволяющего обеспечить синхронизацию приемника по несущей и тактовой частотам передатчика в многоканальных системах связи с кодовременным разделением каналов, работающих в условиях больших частотных расстроек принимаемых сигналов и жестких ограничений на энергетику.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство [2, с.194, рис.6.6], включающее два квадратурных канала, первый из которых состоит из последовательно соединенных первого смесителя, первого усилителя, первого согласованного фильтра и первого квадратичного детектора, а второй квадратурный канал - из последовательно соединенных второго смесителя, второго усилителя, второго согласованного фильтра и второго квадратичного детектора, а также сумматор, выход которого является выходом устройства, фазовращатель на π/2 и гетеродин, при этом первые входы первого и второго смесителей объединены и являются входом устройства, выход гетеродина соединен со вторым входом первого смесителя и через фазовращатель на π/2 - со вторым входом второго смесителя, выход первого квадратичного детектора соединен с первым входом сумматора, а выход второго квадратичного детектора - со вторым входом сумматора.

Указанная цель достигается тем, что в известное устройство, включающее два квадратурных канала, первый из которых состоит из последовательно соединенных первого смесителя, первого усилителя, первого согласованного фильтра и первого квадратичного детектора, а второй квадратурный канал - из последовательно соединенных второго смесителя, второго усилителя, второго согласованного фильтра и второго квадратичного детектора, а также сумматор, выход которого является выходом устройства, фазовращатель на π/2 и гетеродин, при этом первые входы первого и второго смесителей объединены и являются входом устройства, выход гетеродина соединен со вторым входом первого смесителя и через фазовращатель на π/2 - со вторым входом второго смесителя, выход первого квадратичного детектора соединен с первым входом сумматора, а выход второго квадратичного детектора - со вторым входом сумматора, внесены следующие изменения:

исключены сумматор и гетеродин, в первом квадратурном канале исключены первый усилитель, первый согласованный фильтр и первый квадратичный детектор, а во втором квадратурном канале - второй усилитель, второй согласованный фильтр и второй квадратичный детектор, а также введены новые элементы и соответствующие связи между ними, а именно:

в первый квадратурный канал дополнительно введены последовательно соединенные первый полосовой фильтр и первый аналого-цифровой преобразователь, причем вход первого полосового фильтра соединен с выходом первого смесителя, а выход первого аналого-цифрового преобразователя - с первыми входами первого и второго корреляторов, а во второй квадратурный канал дополнительно введены последовательно соединенные второй полосовой фильтр и второй аналого-цифровой преобразователь, причем вход второго полосового фильтра соединен с выходом второго смесителя, а выход второго аналого-цифрового преобразователя - со вторыми входами первого и второго корреляторов, каждый из которых включает в себя последовательно соединенные первый перемножитель, первый вход которого является первым входом коррелятора, и первый фильтр верхних частот, выход которого соединен с первым входом второго перемножителя и является первым выходом коррелятора, а также последовательно соединенные третий перемножитель, первый вход которого является вторым входом коррелятора, и второй фильтр верхних частот, выход которого соединен с вторым входом второго перемножителя и является вторым выходом коррелятора, выход второго перемножителя соединен с входом первого фильтра нижних частот, выход которого является третьим выходом коррелятора, вторые входы первого и третьего перемножителей объединены и являются третьим входом коррелятора, также дополнительно введены последовательно соединенные опорный гетеродин, фазовый детектор, фильтр фазового детектора, управляющий элемент и управляемый генератор, выход которого соединен с входом фазовращателя на π/2 и со вторым входом первого смесителя, последовательно соединенные четвертый перемножитель, первый вход которого соединен с первым выходом первого коррелятора, а его второй вход - с первым выходом второго коррелятора, и второй фильтр нижних частот, выход которого соединен с первым входом сумматора, и последовательно соединенные пятый перемножитель, первый вход которого соединен со вторым выходом первого коррелятора, а его второй вход - со вторым выходом второго коррелятора, и третий фильтр нижних частот, выход которого соединен со вторым входом сумматора, выход которого соединен с входом фильтра петли слежения за задержкой ПСП, а также сумматор по модулю два, выход которого соединен с третьим входом второго коррелятора, и последовательно соединенные управляемый тактовый генератор, вход которого соединен с выходом фильтра петли слежения за задержкой ПСП, и генератор псевдослучайной последовательности, выход которого соединен с третьим входом первого коррелятора и первым входом сумматора по модулю два, последовательно соединенные частотный дискриминатор, компаратор, устройство цифровой обработки, выход которого соединен со вторым входом управляемого генератора, третий выход первого коррелятора соединен с входом цифроаналогового преобразователя и вторым входом устройства цифровой обработки, выход цифроаналогового преобразователя соединен с входом частотного дискриминатора и вторым входом фазового детектора, второй вход сумматора по модулю два соединен с выходом управляемого тактового генератора.

Отличительными признаками предлагаемого устройства являются введенные в его схему новые элементы, а именно: управляемый генератор, управляющий элемент, три фильтра нижних частот, фильтр фазового детектора, фазовый детектор, опорный генератор, два полосовых фильтра, два аналого-цифровых преобразователя, цифроаналоговый преобразователь, два коррелятора, устройство цифровой обработки, частотный дискриминатор, компаратор, сумматор по модулю два, генератор псевдослучайной последовательности, управляемый тактовый генератор, пять перемножителей, фильтр петли слежения за задержкой ПСП и сумматор, а также соответствующие связи между ними, благодаря чему удается обеспечить синхронизацию приемника по несущей и тактовой частотам передатчика в многоканальных системах связи с кодовременным разделением каналов, работающих в условиях больших частотных расстроек принимаемых сигналов и ограничений на энергетику, что соответствует критерию «новизна».

Поскольку совокупность введенных элементов и их связи до даты подачи заявки в патентной и научной литературе не обнаружены, то предлагаемое техническое решение соответствует «изобретательскому уровню».

Структурная схема устройства синхронизации представлена на фиг.1, а на фиг.2 представлена структурная схема коррелятора.

Позициями на фиг.1 обозначены:

1 - фазовращатель на π/2 (ФВ);

2 - управляемый генератор (УГ);

3 - управляющий элемент (УЭ);

4 - фильтр фазового детектора (ФФД);

5 - фазовый детектор (ФД);

6 - опорный генератор (ОГ);

7, 12 - смеситель (См);

8, 13 - полосовой фильтр (ПФ);

9, 14 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

10, 17 - коррелятор (Кр);

11 - устройство цифровой обработки (УЦО);

15 - частотный дискриминатор (ЧД);

16 - компаратор (К);

18 - генератор псевдослучайной последовательности (ГенПСП);

19 - управляемый тактовый генератор (УТГ);

20, 23 - перемножитель (П);

21, 24 - фильтр нижних частот (ФНЧ);

22 - сумматор по модулю два (Сум2);

25 - сумматор (Сум);

26 - фильтр петли слежения за задержкой ПСП (ФСЗ);

27 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП).

Позициями на фиг.2 обозначены:

29, 31, 33 - перемножитель (П);

28, 32 - фильтр верхних частот (ФВЧ);

30 - фильтр нижних частот (ФНЧ).

Работу устройства рассмотрим по структурной схеме, которая представлена на фиг.1, при следующих условиях:

1. Входной сигнал имеет заданную структуру, а именно: преамбулу, за которой следует маркер, за маркером следует служебная и управляющая информация и, наконец, последовательность канальных интервалов для размещения информации пользователей сети связи.

2. Синхронизация опорной частоты управляемого генератора (2) ωуг по принятой несущей ωн на приемной стороне осуществляется по информации, содержащейся в сигнале преамбулы. Причем будем считать, что приемное устройство вошло в синхронизм по частоте с передающим устройством, если , где ωог - частота опорного генератора (6). Преамбула представляет собой интервал определенной длительности Тпр, заполненный несущей частотой ωн, которая промодулирована меандром (меандр - последовательность разнополярных импульсов, частота следования которых задает тактовую частоту последующих информационных и служебных сообщений).

3. Для обеспечения синхронизации в сети связи и кодового разделения каналов (сигналов), а также для повышения помехозащищенности передаваемый сигнал дополнительно кодируется периодической псевдослучайной последовательностью (ПСП) (применительно к преамбуле происходит сложение по модулю два псевдослучайной последовательности с последовательностью разнополярных импульсов преамбулы (с меандром)). Чтобы гарантировать неискаженную свертку ПСП в приемнике, длина ПСП N выбирается равной или меньшей длительности тактового импульса преамбулы (импульса меандра).

4. Устройство синхронизировано по ПСП обнаружителем, который в данном случае не рассматривается и не является предметом изобретения. Точность синхронизации по ПСП находится в пределах длительности одного элемента ПСП.

Пусть на вход устройства (смесители (7) и (12)) поступает сигнал преамбулы вида

Uвх(t)=Amcos(ωнt-ψ)+n(t)cos(ωнt-ψ),

где Am - амплитуда сигнала;

ωн - угловая несущая частота;

ψ=(ψ0+απ+βπ) - фаза сигнала;

ψ0 - начальная фаза сигнала;

απ - приращение фазы, определяемое элементами ПСП;

βπ - приращение фазы, определяемое элементами меандра;

α - коэффициент, принимающий значения 0 или 1 в соответствии со структурой ПСП;

β - коэффициент, принимающий значения 0 или 1 в соответствии со структурой меандра на интервале длительности преамбулы;

n(t) - нормальный гауссов шум с дисперсией σ2 и нулевым математическим ожиданием, т.е. ,

а на вторые входы смесителей (7) и (12) поступает сигнал от УГ (2), причем на второй вход См (7) сигнал от УГ (2) поступает непосредственно и имеет вид cos(ωt), а на второй вход См (12) - через ФВ (1) и имеет вид sin(ωугt).

В смесителях (7) и (12) происходит перемножение сигналов. Учитывая, что 2cosµ·cosν=cos(µ+ν)+cos(µ-ν) и 2sinµ·cosν=sin(µ+ν)+sin(µ-ν) [3, стр.208], a µ=ωугt; ν=ωнt-ψ; cos(-ξ)=cos(ξ) и sin(-ξ)=-sin(ξ), на выходе См (7) появится сигнал вида

а на выходе См (12) сигнал вида

Составляющие суммарной частоты подавляются ПФ (8) и (13), а составляющие разностной частоты свободно проходят через эти фильтры и поступают на соответствующие входы АЦП (9) и (14). Сигнал на входе АЦП (9) имеет вид

а на входе АЦП (14)

где ;

Δр - величина расстройки частот ωн и ωуг (сверх ), которую необходимо компенсировать, чтобы обеспечить синхронизацию по несущей частоте.

В АЦП (9) и (14) сигнал разностной частоты преобразуется в цифровую форму, т.е. аналоговая входная величина преобразуется в соответствующее число. На выходе АЦП (9) сигнал имеет вид

а на выходе АЦП (14) -

где i - порядковый номер выборки на интервале ПСП. Причем i принимает значения от 1 до L, a L≥2N, где N - число элементов ПСП;

n(ti) - шумовая составляющая с параметрами: , где j - порядковый номер выборки, отличный от i;

.

Сигналы (1) и (2) с выходов АЦП (9) и (14) в цифровой форме поступают на входы корреляторов (10) и (17) соответственно.

Работа схемы по установлению синхронизации по несущей и тактовой частотам. В корреляторе (10) (см. фиг.2) сигнал (1) поступает на его первый вход, который является первым входом П (33), а сигнал (2) - на его второй вход, который является первым входом П (31), а на третий вход Кр (10), который одновременно является вторыми входами П (33) и П (31), поступает сигнал ПСП, аналогичный ПСП, наложенной на сигнал меандра на передающей стороне. За счет квадратурной обработки сигналов в П (33) и (31) имеет место свертка ПСП, т.е. ее компенсация. С выходов П (33) и П (31) сигналы поступают на соответствующие входы ФВЧ (28) и ФВЧ (32), которые обеспечивают прохождение полезного сигнала и задерживают побочные продукты преобразования, в результате чего на выходе ФВЧ (28) сигнал (1) будет иметь вид

а на выходе ФВЧ (32) сигнал (2) будет иметь вид

где .

Сигнал (3) с выхода ФВЧ (28) поступает на первый вход П (29) и на первый выход Кр (10), а сигнал (4) с выхода ФВЧ (32) - на второй вход П (29) и на второй выход Кр (10). В результате перемножения в П (29) происходит свертка меандра, а также появляется сигнал, который несет информацию о величине рассогласования ωн и ωуг

Учитывая, что 2sinµ·cosν=sin(µ+ν)+sin(µ-ν) [3, стр.208], a ; и β=0 после приведения подобных членов выражение (5) примет вид

Сигнал (6) с выхода П (29) подается на вход ФНЧ (30), который обеспечивает усреднение входного сигнала. Тогда на выходе ФНЧ (30) появится сигнал вида

Поскольку , а , то

где - мощность сигнала;

Рш2 - мощность помехи.

Из анализа выражения (7) следует, что на третьем выходе коррелятора (10) присутствует вторая гармоника разности частот ωн и ωуг, т.е. 2Δω, которая несет информацию о величине и знаке рассогласования несущей частоты и частоты управляемого генератора.

Работа схемы по обеспечению синхронизации по несущей частоте. Сигнал вида (7) с выхода 3 коррелятора (10) подается на вход 2 УЦО (11) непосредственно, а через ЦАП (27) - на вход частотного дискриминатора (15) и на второй вход фазового детектора (5). На первый вход ФД (5) подается сигнал от ОГ (6) с частотой ωог.

а) Работа схемы при малых частотных расстройках. При малых частотных расстройках расхождение частот ωн и ωуг не превышает значений , где Δfcx полоса схватывания фазового детектора (5). В этом случае устранение частотной расстройки осуществляется системой ФАПЧ, основными элементами которой являются опорный генератор (6), фазовый детектор (5), фильтр фазового детектора (ФФД) (4), управляющий элемент (3), а также элементы устройства, формирующие промежуточную частоту. Система ФАПЧ осуществляет точную подстройку частоты. Сигнал, поступивший на второй вход ФД (5) с выхода 3 Кр (10), в фазовом детекторе сравнивается с сигналом, который подается на его первый вход от ОГ (6). Результатом сравнения является управляющий сигнал, который появляется на выходе ФД (5) и подается на вход ФФД (4). Величина этого сигнала пропорциональна значению частотной расстройки, а знак зависит от соотношения частот ωн и ωуг. После фильтрации в ФФД (4) сигнал подается на вход УЭ (3), который осуществляет подстройку УГ (2), обеспечивая тем самым синхронизацию приемного и передающего устройств по несущей частоте.

б) Работа схемы при больших частотных расстройках. Большие частотные расстройки - это расстройки, при которых значение . В этом случае сигнал (7) находится вне полосы захвата системы ФАПЧ и она не работает. В работу вступает система «грубой» подстройки частоты f под частоту fн. Система включает в себя ЧД (15), К (16) и УЦО (11).

Частотный дискриминатор на основе сигнала, поступившего на его вход, на своем выходе формирует сигнал положительной (если fн>f) или отрицательной (если fн<f) полярности. Знак полярности фиксируется компаратором (16) и с выхода К (16) подается на первый вход УЦО (11).

УЦО (11) выполняет функцию спектроанализатора на основе алгоритма быстрого преобразования Фурье (т.е. реализует гребенку узкополосных фильтров в диапазоне частот от (f-2Δf) до (fог+2Δf), где 2Δf - максимальное значение величины абсолютной нестабильности генераторов передатчика и приемника по второй гармонике разности частот fн и f (см. выражение 7), с полосой пропускания каждого фильтра Δfфг, величина которой определяется требованиями к разрешающей способности и точности спектрального анализа) [4]. Сигнал, поступивший на второй вход УЦО (11), выделяется одним из фильтров гребенки. Появление сигнала на выходе соответствующего фильтра гребенки говорит о величине рассогласования fн и fуг. На основе информации о величине и знаке рассогласования на выходе УЦО (11) появляется управляющий сигнал, который поступает на второй вход УГ (2) и подстраивает его частоту в соответствии с принятой несущей («грубая» настройка), что приводит к уменьшению частотной расстройки генераторов передатчика и приемника. «Грубая» настройка позволяет установить значение . Далее в работу вступает система ФАПЧ и устраняет оставшуюся часть частотной расстройки («точная» настройка).

Работа схемы по обеспечению синхронизации по тактовой частоте ПСП.

Сначала рассмотрим работу схемы при условии, что принятая ПСП и ПСП, выработанная генератором ПСП (18) приемника, совпадают. В корреляторе (17) (см. фиг.2) сигнал (1) поступает на его первый вход, который является первым входом П (27), а сигнал (2) - на его второй вход, который является первым входом П (31). На третий вход Кр (17), который одновременно является вторыми входами П (27) и П (31), поступает сигнал с выхода См2 (22). Этот сигнал является результатом сложения по модулю два двух сигналов (см фиг.3в): сигнала ПСП (см. фиг.3а), который подается с выхода ГенПСП (18) на первый вход См2 (22), и сигнала тактовой частоты ПСП (см. фиг.3б), который подается на второй вход См2 (22) с выхода УТГ (19). За счет квадратурной обработки сигналов в П (27) и в П (31) имеет место свертка ПСП, т.е. ее компенсация. С выходов П (27) и П (31) сигналы поступают на соответствующие входы ФВЧ (28) и ФВЧ (32), которые обеспечивают похождение полезного сигнала и задерживают побочные продукты преобразования, в результате чего на выходе ФВЧ (28) сигнал (1) будет иметь вид

а на выходе ФВЧ (32) сигнал (2) будет иметь вид

где ;

γ - коэффициент, принимающий значения 0 или 1 в соответствии с последовательностью импульсов, поступающих на третий вход Кр (17) (см. фиг.3в).

Сигнал (8) с выхода ФВЧ (28) поступает на первый выход Кр (17), а сигнал (9) с выхода ФВЧ (32) - на второй выход Кр (17). В Кр (17) третий выход не используется.

Сигнал (3) с первого выхода Кр (10) поступает на первый вход П (20), а сигнал (8) с первого выхода Кр (17) - на второй вход П (20). В результате перемножения на выходе П (20) появится сигнал вида

Учитывая, что 2cosµ·cosν=cos(µ+ν)+cos(µ-ν); , ; выражение (10) примет вид

где .

Поскольку a то выражение (11) примет вид

Сигнал (12) с выхода П (20) подается на вход ФНЧ (21), который подавляет сигнал с частотой 2Δωti и обеспечивает усреднение оставшейся части входного сигнала. Тогда, принимая во внимание, что , a , на выходе ФНЧ (21) появится сигнал вида

Одновременно сигнал (4) с второго выхода Кр (10) поступает на первый вход П (23), а сигнал (9) с второго выхода Кр (17) - на второй вход П (23). В результате перемножения на выходе П (23) появится сигнал вида

Учитывая, что 2sinµ·sinν=cos(µ-ν)-cos(µ+ν); , , а , , выражение (14) примет вид

где .

Сигнал (15) с выхода П (23) подается на вход ФНЧ (24), который подавляет сигнал с частотой 2Δωti и обеспечивает усреднение оставшейся части входного сигнала. Тогда, принимая во внимание, что ; и cos(-λ) = cos(λ), на выходе ФНЧ (24) появится сигнал вида

Сигнал (13) с выхода ФНЧ (21) поступает на первый вход Сум (25), а сигнал (16) с выхода ФНЧ (24) - на второй вход Сум (25). Анализ выражений (13) и (16) показывает, что на первый и второй входы Сум (25) поступает последовательность разнополярных импульсов (см. фиг.3г). Причем из правила формирования псевдослучайной последовательности известно, что в ней содержится приблизительно одинаковое число элементов (единиц и нулей) [5]. Следовательно, на выходе Сум (25) суммарное значение сигнала на интервале длительности ПСП будет приблизительно равно нулю, а это значит, что и на выходе ФСЗ (26) будет нулевой сигнал, что говорит о согласованности принятой и сформированной генератором ПСП (18) псевдослучайных последовательностей.

В случае несовпадения принятой и сформированной генератором ПСП (18) псевдослучайных последовательностей выражения (13) и (16) будут иметь вид

- коэффициент, принимающий значения 0 или 1 вследствие неполной свертки принятой ПСП и ПСП, сформированной ГенПСП (18) в П (33) и П (31).

Тогда в последовательности разнополярных импульсов, поступающих на первый и второй входы Сум (25), число положительных импульсов будет отличаться от числа отрицательных импульсов и на выходе Сум (25) суммарное значение сигнала на интервале длительности ПСП будет отлично от нуля. Причем величина этого сигнала пропорциональна величине рассогласования принятой и сформированной ГенПСП (18) последовательностей, а знак сигнала определяется задержкой или опережением принятой ПСП относительно опорной, сформированной ГенПСП (18). После предварительной фильтрации в ФСЗ (26) этот сигнал поступает на управляемый тактовый генератор (19) и обеспечивает устранение ошибки рассогласования ПСП по задержке.

Оценка эффективности предложенного технического решения на этапе вхождения в синхронизм

Из изложенного выше следует, что предложенное техническое решение (приемник) устойчиво обеспечивает начальную синхронизацию (т.е. захват сигнала схемой ФАПЧ) за счет оценки начальной расстройки частот принятой несущей и управляемого генератора (2) элементами устройства (частотным дискриминатором (15) и устройством цифровой обработки (11), которые способны эффективно работать при меньших значениях отношения сигнал/шум, чем схема ФАПЧ) и при параллельной работе схемы ФАПЧ. Действительно, процедура определения знака расстройки - двузначная операция, не требующая большого значения отношения сигнал/шум. Эффективность же работы УЦО (11) определяется, с одной стороны, максимальным значением начальной частотной расстройки (диапазоном неопределенности частотной расстройки), а с другой - дискретностью, т.е. максимально допустимой погрешностью измерения частоты, которая не должна превышать полосу захвата ФАПЧ, что также не требует больших отношений сигнал/шум. При успешной работе элементов дискретной коррекции начальной частотной расстройки и параллельной работе схемы ФАПЧ последней остается только свести к нулю остаточную расстройку несущей частоты, что не влечет за собой жестких требований на время устранения остаточной частотной расстройки частоты из-за переходных процессов в схеме ФАПЧ. Поскольку считается, что если сигнал попал в полосу захвата схемы ФАПЧ при отношении сигнал/шум на ее выходе ≥17 дБ, то считается, что синхронизация по несущей частоте установлена.

Оценим характеристики предложенного устройства при тех же начальных параметрах, которые были приведены выше, а именно: ширина спектра входного широкополосного сигнала (ШПС) ΔFшпс=16,384 МГц; тактовая частота формирования сигнала Fт=7 кГц; время установления синхронизации по несущей частоте Tсч≤4 мс; относительная нестабильность частоты δ=10-7; несущая частота fн=14 ГГц; полоса пропускания ФАПЧ, обеспечивающая требуемое качество синхронизации (отношение с/ш на выходе ФАПЧ>17 дБ), составляет 250 Гц; полоса схватывания фазового детектора Δfсx=500 Гц. Поскольку в нашем случае на второй вход фазового детектора (5) подается вторая гармоника частот рассогласования несущей и управляемого генератора (2), то максимальный диапазон частот, характеризующих величину их рассогласования, будет составлять 2·Δf=2·(2,8)=5,6 кГц, где Δf - максимальный диапазон нестабильности несущей частоты. Следовательно, интервал обработки УЦО (11) по частоте Fобр должен быть не менее 5,6 кГц.

Согласно [4] максимальный интервал обработки по частоте Foбp max при использовании квадратурной обработки определяется частотой дискретизации fд, т.е. Foбр max=fд. Поскольку ширина спектра сигнала ΔFшпс=16,384 МГц, то частота дискретизации fд, как минимум, в два раза выше спектра сигнала и значительно выше требуемого интервала обработки Fобр УЦО (11), что позволяет использовать УЦО в качестве спектроанализатора, представляющего собой гребенку узкополосных фильтров с полосой пропускания каждого фильтра Δfфг.

Чтобы в результате «грубой» подстройки величина рассогласования не превысила полосу захвата ФАПЧ, полоса пропускания каждого фильтра Δfфг должна быть ≤500 Гц. Тогда весь диапазон частотной расстройки должен быть разбит на 5600/500=11,2≈12 частей, т.е. устройство цифровой обработки должно включать 12 фильтров с полосой пропускания ≈466 Гц.

Известно [6], что при реализации функции спектроанализа на основе алгоритма быстрого преобразования Фурье необходимое число фильтров m определяется выражением 2n, где n принимает значения 1, 2, 3, … . Для нашего случая n=4, а m=16. Значит УЦО (11) будет содержать 16 фильтров, каждый из которых имеет полосу пропускания Δfфг=350 Гц, что позволяет оценить длительность интервала оценивания УЦО, который составляет

мс.

При этом отношение сигнал/шум на выходе УЦО будет

дБ,

что вполне достаточно для однозначной оценки величины и знака частотной расстройки.

Таким образом, предложенное техническое решение по синхронизации приемных устройств по несущей и тактовой частотам в системах с кодовым разделением каналов в условиях большой нестабильности частот в канале связи обеспечивает решение задачи синхронизации с высокой надежностью и за время до 4 мс.

Литература

1. Новые стандарты широкополосной радиосвязи на базе технологии W-CDMA, М.: Международный центр научно-технической информации, 1999 (стр.38-58).

2. Алексеев А.И., Шереметьев А.Г., Тузов Г.И., Глазов Б.И. Теория и применение псевдослучайных сигналов. - М.: Наука, 1969. - 367 с.

3. Рывкин А.А., Рывкин А.З., Хренов Л.С. Справочник по математике. Изд. 3-е, стереотип. М.: Высшая школа, 1975. - 554 с.

4. Цифровые фильтры и устройства обработки сигналов на интегральных микросхемах: Справочное пособие / Ф.Б.Высоцкий, В.И.Алексеев, В.Н.Пачин и др. Под ред. Б.Ф.Высоцкого. М.: Радио и связь, 1984. - 216 с.

5. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации. Под ред. проф. В.Б.Пестрякова. М.: Сов. радио, 1973, с.424 (с.115).

6. Введение в цифровую фильтрацию. Под ред. Р.Боргера и А.Констандинидиса. Пер. с англ. под ред. Л.И.Филиппова. - М.: Мир, 1976. - 216 с.

Устройство синхронизации приемных устройств по несущей и тактовой частотам в системах с кодовым разделением каналов в условиях большой нестабильности частот в канале связи, в состав которого входят два квадратурных канала и фазовращатель на π/2, причем первый квадратурный канал состоит из первого смесителя, а второй квадратурный канал - из второго смесителя, первые входы первого и второго смесителей объединены и являются входом устройства синхронизации, выход фазовращателя на π/2 соединен со вторым входом второго смесителя, отличающееся тем, что в первый квадратурный канал дополнительно введены последовательно соединенные первый полосовой фильтр и первый аналого-цифровой преобразователь, причем вход первого полосового фильтра соединен с выходом первого смесителя, а во второй квадратурный канал дополнительно введены последовательно соединенные второй полосовой фильтр и второй аналого-цифровой преобразователь, причем вход второго полосового фильтра соединен с выходом второго смесителя, кроме этого в устройство введены первый и второй корреляторы, каждый из которых включает в себя последовательно соединенные первый перемножитель, первый вход которого является первым входом коррелятора, и первый фильтр верхних частот, выход которого соединен с первым входом второго перемножителя и является первым выходом коррелятора, и последовательно соединенные третий перемножитель, первый вход которого является вторым входом коррелятора, и второй фильтр верхних частот, выход которого соединен со вторым входом второго перемножителя и является вторым выходом коррелятора, выход второго перемножителя соединен с входом первого фильтра нижних частот, выход которого является третьим выходом коррелятора, вторые входы первого и третьего перемножителей объеденены и являются третьим входом коррелятора, а также последовательно соединенные опорный гетеродин, фазовый детектор, фильтр фазового детектора, управляющий элемент и управляемый генератор, выход которого соединен с входом фазовращателя на π/2 и со вторым входом первого смесителя, и последовательно соединенные четвертый перемножитель, первый вход которого соединен с первым выходом первого коррелятора, а его второй вход - с первым выходом второго коррелятора, и второй фильтр нижних частот, выход которого соединен с первым входом сумматора, и последовательно соединенные пятый перемножитель, первый вход которого соединен со вторым выходом первого коррелятора, а его второй вход - со вторым выходом второго коррелятора, и третий фильтр нижних частот, выход которого соединен со вторым входом сумматора, выход которого соединен с входом фильтра петли слежения за задержкой ПСП, и последовательно соединенные управляемый тактовый генератор, вход которого соединен с выходом фильтра петли слежения за задержкой ПСП, и генератор псевдослучайной последовательности, выход которого соединен с третьим входом первого коррелятора и первым входом сумматора по модулю два, и последовательно соединенные частотный дискриминатор, компаратор и устройство цифровой обработки, выход которого соединен со вторым входом управляемого генератора, третий выход первого коррелятора соединен с входом цифроаналогового преобразователя и вторым входом устройства цифровой обработки, выход цифроаналогового преобразователя соединен с входом частотного дискриминатора и вторым входом фазового детектора, второй вход сумматора по модулю два соединен с выходом управляемого тактового генератора, выход первого аналого-цифрового преобразователя соединен с первыми входами первого и второго коррелятора, выход второго аналого-цифрового преобразователя соединен со вторыми входами первого и второго коррелятора, выход сумматора по модулю два соединен с третьим входом второго коррелятора.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться в приемниках шумоподобных сигналов с минимальной частотной манипуляцией. .

Изобретение относится к интерфейсам передачи данных. .

Изобретение относится к технике беспроводной связи и может быть использовано для поддержания поиска соты. .

Изобретение относится к радиолокационной технике, в частности к радиолокации с активным ответом, которая применяется для управления воздушным движением, опознавания, измерения расстояний в навигационных системах.

Изобретение относится к радиосвязи и может быть использовано для повышения помехозащищенности приемника. .

Изобретение относится к беспроводной связи. .

Изобретение относится к технике передачи дискретной информации, радиотехнике и может использоваться в радиостанциях

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при проектировании радиоприемных устройств, работающих в условиях многолучевого распространения радиосигналов

Изобретение относится к области мобильных устройств связи, и способу работы такого устройства

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к СВЧ приемникам, применяемым в системах связи, навигации, бортовых и наземных РЛС

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к системам и способам разнесенного приема/передачи радиосигналов, и может применяться в мобильных устройствах беспроводной связи

Изобретение относится к беспроводной связи, в частности к настройке коэффициентов отвода эквалайзера и оценкам отношения уровня сигнала к совокупному уровню помех и шумов в приемнике

Изобретение относится к области беспроводной связи, в частности к функционированию терминала доступа в среде беспроводной связи на основе LTE, использующего расширенный микромощный режим энергосбережения

Изобретение относится к авиационным средствам связи
Наверх