Автор: Зюмін С.А.
Источник: Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих. Збірник наукових праць ХІI науково-технічної конференції аспірантів та студентів в м. Донецьку 17–20 квітня 2012 р. – Донецьк, ДонНТУ, 2012.
В останні роки все більш широке поширення в області телекомунікацій знаходять Software Defined Radio (SDR) технології. 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 – 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), фільтра нижніх частот (ФНЧ) та генератора керованого напругою (ГКН), які необхідно реалізувати програмно.
Рисунок 2 – Структурна схема контуру ФАПЧ
На вхід помножувача надходять періодичні вхідний s(t) та синхронізований сигнал v(t). На виході фазового детектору формується сигнал різниці фаз 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:
|
(1) |
де К0 – коефіцієнт пропорційності ГКН.
На практиці до гетеродину SDR висуваються вимоги не тільки по стабільності частоти, але й по стабільності фази, адже фазова ознака використовується для синхронізації та демодуляції прийнятого сигналу. Забезпечити стабільність фази контур управління ФАПЧ може, якщо його порядок астатизму не менше двох. ГКН є інтегруючим елементом і має перший порядок астатизму, отже потрібен ФНЧ теж з першим порядком, щоб контур в цілому мав необхідний порядок астатизму. [2] В джерелах [2, 3] наведено формулу для розрахунку коефіцієнтів (Ki та Kp) фільтру першого порядку, що призначений спеціально для ФАПЧ, та методику перевірки системи ФАПЧ на стійкість. Програмна реалізація ФНЧ на кроці n має вигляд:
|
(2) |
Запропонована схема (рис. 1) містить фазообертач у програмній частині, що дозволяє отримувати синфазну (I) та квадратурну (Q) складові аналітичного сигналу. Це забезпечує можливість використовувати ФД, який не має на виході сумарних частотних компонент. Його реалізація має вигляд:.
|
(3) |
В ході даного дослідження було розроблено програмне забезпечення (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). Генерація аналітичного сигналу відбувалася за допомогою фільтра Гільберта.
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 (I та Q компоненти) 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. 3).
Рисунок 3 – Вигляд головного вікна програми
В результаті дослідження було запропоновано використання програмної ФАПЧ в якості гетеродина SDR приймача та обрано структуру системи, що дозволить поліпшити якість прийому сигналу в умовах завад та нестабільності несучого коливання. У порівнянні із класичною схемою ФАПЧ, запропонований програмний гетеродин працює з аналітичним сигналом, це дозволяє використовувати поліпшений ФД. Розроблено ПЗ, яке в умовах обробки реального сигналу підтвердило можливість використання системи на практиці.