Автор: Зюмін С.А.
Источник: Сучасні інформаційні технології та програмне забезпечення комп’ютерних систем – 2012 / Збірник тез доповідей Всеукраїнського студентського науково-практичного семінару. – Кіровоград, "Код" – 2012, с. 16–18.
Сучасне телекомунікаційне обладнання, зокрема приймачі, конструюються за комбінованою схемою (рис. 1), що складається з апаратної частини (front end та АЦП) та програмної частини – Software Defined Radio (SDR). Більш детально різні структури SDR приймачів описані в джерелі [1]. Програмна реалізація основних функцій приймача дозволяє впроваджувати нові алгоритми обробки сигналів та розширювати функціональні можливості SDR приймачів. Сучасні телекомунікаційні стандарти висувають жорсткі вимоги до стабільності частоти, тому вимоги до гетеродинів SDR приймачів, які працюють в умовах атмосферних завад, багатопроменевого поширення та ефекту Допплера, теж жорсткі.
Рисунок 1 – Спрощена структурна схема SDR приймача
Для подолання проблеми нестабільності частоти несучого коливання в роботі запропоновано використовувати систему фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ) (рис. 2) в якості гетеродина програмної частини SDR. ФАПЧ складається з трьох основних елементів: фазового детектору (ФД) або помножувача, фільтра нижніх частот (ФНЧ) та генератора керованого напругою (ГКН), які необхідно реалізувати програмно.
Рисунок 2 – Структурна схема контуру ФАПЧ
На вхід помножувача надходять вхідний s(t) та синхронізований сигнал v(t). На виході помножувача формується сигнал різниці між вхідним сигналом та сигналом ГКН p(t), за допомогою ФНЧ він перетворюється на керуючий сигнал ГКН e(t), миттєва частота сигналу на виході якого залежить від керуючої напруги, а повна фаза Ф(t) дорівнює:
де К0 – коефіцієнт пропорційності ГКН.
На практиці до гетеродину SDR висуваються вимоги не тільки по стабільності частоти, але й по стабільності фази, адже фазовий признак використовується для синхронізації та демодуляції прийнятого сигналу. Забезпечити стабільність фази контур управління ФАПЧ може, якщо його порядок астатизму не менше двох. Порядок астатизму контуру ФАПЧ визначається порядком передавальної характеристики контуру. Для забезпечення контуру другого порядку астатизму необхідно, щоб ФНЧ був першого порядку, бо перший порядок має передавальна характеристика ГКН, який по суті є інтегруючим елементом. В джерелах [2] та [3] наведено формули для розрахунку коефіцієнтів фільтру першого порядку, що призначений спеціально для програмної ФАПЧ. Також в джерелі [2] наведено методику розрахунку коефіцієнтів фільтра та методику перевірки системи ФАПЧ в цілому на стійкість.
В ході даного дослідження було розроблено ПЗ, що дозволяє простежити поведінку програмного гетеродина на основі ФАПЧ при подачі на його вхід різних сигналів. ПЗ було розроблене в середовищі Microsoft Visual C++ 2010 з використанням стандартних бібліотек та бібліотеки швидкого перетворення Фур’є (ШПФ).
Рисунок 3 – Алгоритм роботи ПЗ
В ході експериментальних досліджень на комп’ютері було відкрито розроблену програму, сигнали з генератору гармонічних сигналів подавалися на мікрофонний вхід звукової карти комп’ютера, яка виступала у ролі аналого-цифрового перетворювача (АЦП). У головному вікні програми відображається форма вхідного сигналу та його спектру (ліворуч), форма вихідного сигналу та його спектру (праворуч).
Окрім того, що програмний гетеродин добре слідкує за повільною зміною частоти вхідного сигналу, система ще й проявляє хороші фільтруючи властивості при слідкуванні за сигналом з низьким рівнем відношення сигнал/шум (рис.4).
Рисунок 4 – Вигляд головного вікна програми
В результаті дослідження було запропоновано використання програмної ФАПЧ в якості гетеродина SDR приймача та обрано методику розрахунку параметрів схеми, що дозволить поліпшити якість прийому сигналу в умовах завад та нестабільності несучого коливання. Розроблено ПЗ, яке в умовах обробки реального сигналу підтвердило можливість використання системи на практиці.