ФАПЧ - цифровая фазовая автоподстройка частоты

Схема фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ часто приходится использовать в системах передачи данных по эфиру (радио) для синхронизации приемной и передающей аппаратуры. При этом встает выбор на чем и как сделать надежную и простую цифровую ФАПЧ схему. Пролистав кучу литературы по ФАПЧ, способы построения и различные варианты, многие не находят ответа на данную задачу. Поэтому, если все взвесить и подумать, то все не так сложно как кажется.

Для начала нужно понять для чего требуется построить цифровую ФАПЧ схему. В данном проекте схема ФАПЧ используется:
a) для устранения дрожания фазы (phase jitter) в системах передачи дискретной информации возникающая по краям цифрового сигнала;
б) для повышения чувствительности приемника;
в) для выделения тактовой частоты принимаемого сигнала;
г) для синхронизации приемной и передающей аппаратуры.

Для решения данной задачи подходит любая ПЛИС фирмы XILINX из семейства FPGA серии Spartan II и выше. Учитывая особенности внутреннего строения ПЛИС типа FPGA и возможность работать с удвоенной частотой внутри кристалла можно построить ФАПЧ, которая будет подстраиваться с точностью от 5 ns и выше, а в более скоростных семействах FPGA еще меньшим шагом.

Для пояснения ниже приведу рисунок на котором показано, что происходит в реальности с принимаемым сигналом и как происходит синхронизация с помощью ФАПЧ. При этом нужно учитывать что принимаемый сигнал кодируется кодом Миллера, в котором существуют сигналы только определенной длительности 1T, 1,5T и 2T. Следовательно, при появлении ошибок в канале, требуется рассмотрение как отдельного случая обработки и исправления ошибок, которые здесь рассматриваться не будет.

Как видно из рисунка, при расхождении сигнала выделяемого по фронтам и опорной частоты, ФАПЧ производит коррекцию выделяемой тактовой частоты принимаемого сигнала в нужные моменты времени. При этом коррекция тактовой частоты на рисунке показаны условно для удобства, так как интегрирующий ФАПЧ принимает решение о коррекции после определенного числа расхождений в большую или меньшую сторону. Если преобладают расхождения в меньшую сторону, то ФАПЧ удлиняет длительность формируемого сигнала. В противном случае ФАПЧ вставляет дополнительный укороченный импульс. Таким образом происходит синхронизация и выделение тактовой частоты из принимаемого сигнала кодированного по коду Миллера.

Данный проект завершен, и показал что, в системе, где отсутствует цифровая ФАПЧ схема, чувствительность приемника сигналов ЧМ лежала в пределах 22 — 24 дБ. При применении аналоговых схем ФАПЧ, чувствительность приемной аппаратуры улучшалась на 1 — 2 дБ, и достигала уже 20 — 22 дБ. А при использовании цифрового ФАПЧ улучшения достигают 3 — 4 дБ, и была на уровне 18 - 20 дБ. Удобство и преимущество цифровой ФАПЧ перед аналоговой ФАПЧ очевидны, так по параметрам, так и по отладке на разрабатываемой аппаратуре. К тому же, достоверность принимаемого сигнала и дальность приема сигнала по эфиру (радио) были выше, чем при отсутствии цифроваой ФАПЧ схемы (мощность передающей аппаратуры можно уменьшить 1, 5 - 2 раза ).

При этом нужно учитывать, чтобы поднять качество и достоверность принимаемого сигнала одним только ФАПЧ будет не достаточно, для этого нужно продумать и использовать дополнительные схемы и методы передачи и приема информации. Но это уже другая история .

ФАПЧ – цифровая фазовая автоподстройка частоты