Резюме

Автобиография

Реферат

Библиотека

Отчет о поиске

Полезные ссылки

Оптические иллюзии

Факультет: Компьютерных информационных технологий и автоматики (КИТА)
Кафедра: Автоматики и телекммуникаций (АТ)
Специальность: Телекоммуникационные системы и сети (ТКС)

Реферат по теме магистерской работы

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ ПРИЕМА ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ В РАДИОКАНАЛЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДЕМОДУЛЯТОРОВ НА ОСНОВЕ ФАПЧ

Актуальность. В современных телекоммуникациях важной задачей при передаче сигналов является точное их восстановление на приемной стороне. Эта задача решается демодуляторами. Важнейшей частью демодуляторов являются детекторы. Одним из вариантов построения детекторов являются детекторы на основе систем ФАПЧ.

Наличие помех в канале связи обуславливает искажение полезного сигнала. Если детектор обладает низкой помехоустойчивостью, то в процессе восстановления сигнала могут возникать одиночные битовые ошибки на выходе демодулятора. При наличии интенсивных помех ФАПЧ может выйти из режима слежения, что приведет к потере информации. Это обусловлено тем, что часть информационных бит теряется в процессе захвата сигнала системой.

Цель работы – уменьшение потерь информационных бит за счет усовершенствования демодулятора частотно-модулированных сигналов, что повысит достоверность приема дискретных сигналов.

Задачи работы:

• исследовать существующие системы ФАПЧ, определить их достоинства и недостатки;
• осуществить структурно-алгоритмический синтез ФАПЧ, объединяющей преимущества рассмотренных схем;
• внедрить полученную ФАПЧ в состав демодулятора ЧМ сигналов и сравнить его работу с другими демодуляторами;
• сделать вывод о повышении достоверности приема дискретных сигналов с использованием демодулятора на основе комбинированной ФАПЧ.

Научная новизна. Научной новизной данной работы является создание новой комбинированной схемы ФАПЧ, которая объединит преимущества существующих аналоговой и цифровой схем.

Предполагаемый практический результат. В данной работе планируется осуществить структурно-алгоритмический синтез демодулятора ЧМ-сигналов на основе ФАПЧ, обосновать его структуру и параметры, а также дать практические рекомендации по его дальнейшему использованию в телекоммуникационных сетях.

Обзор существующих решений

Существуют аналоговые и цифровые системы ФАПЧ. Аналоговые системы обеспечивают высокую помехоустойчивость при низком соотношении сигнал/шум на их входе, но их недостатком является узкая полоса захвата. Кроме того, время захвата, определяемое параметрами петлевого фильтра, довольно велико. Цифровые ФАПЧ имеют более широкую полосу захвата и потенциально меньшее время захвата.

Структурная схема ФАПЧ представлена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема ФАПЧ

Как видно из рисунка, система ФАПЧ состоит из фазового компаратора (ФК), фильтра низких частот (ФНЧ), усилителя сигнала и генератора, управляемого напряжением (ГУН). Сигнал на выходе ФАПЧ формируется как мера фазового рассогласования входного сигнала и сигнала, поступающего от ГУН. В случае, когда сигналы различаются по частоте, формируется сигнал разностной частоты, который впоследствии будет воздействовать на ГУН, приближая частоту ГУН f_ГУН к частоте входного сигнала f_вх. Выходной сигнал в таком случае снимается с выхода усилителя. В конечном итоге выходной сигнал ФАПЧ будет представлять собой копию модулирующего сигнала. Таким образом решается задача демодуляции сигналов с угловой модуляцией. Точность восстановления сигнала и степень подавления помех зависят от параметров компонентов системы.

Рассмотрим более подробно составные части системы ФАПЧ. Фазовый компаратор служит для мгновенного измерения разности фаз. В аналоговой ФАПЧ фазовый компаратор представляет собой обычный перемножитель. Наиболее универсальным и широко распространенным цифровым фазовым компаратором является компаратор с тремя устойчивыми состояниями. Он строится на основе двух D-триггеров и логического элемента «НЕ-И», как показано на рис. 2.

Рис. 2. Схема фазового компаратора с тремя устойчивыми состояниями

Принцип работы такой схемы следующий. D-триггеры переключаются в единичное состояние по переднему фронту управляющего импульса и остаются в нем до прихода сигнала сброса. Сброс происходит, когда оба входных сигнала имеют высокий уровень. Выходные сигналы схемы зависят от частоты и фазы входных. Если на вход поступают сигналы с одинаковой частотой и фазой, оба выходных сигнала имеют низкий уровень.

ФНЧ необходим для фильтрации полученного сигнала и удаления из его спектра лишних (паразитных) компонент. Известно, что значительное расширение полосы пропускания фильтра приводит к тому, что в составе полезного сигнала будут присутствовать помехи. При сужении полосы пропускания число помех уменьшается, однако наблюдается ухудшение качества сигнала. Полностью устранить это противоречие невозможно, можно лишь немного уменьшить его влияние на работу всей системы в целом. Одним из вариантов расширения полосы захвата аналоговой системы ФАПЧ является введение нелинейного фильтра в цепь управления.

Модель нелинейного ФНЧ была предложена Ю. В. Эльтерманом и В. С. Дулицким и описана в книге В. В. Шахгильдяна.

Схема фильтра с переменной полосой пропускания представлена на рис. 3а. Как видно из рисунка, нелинейный фильтр состоит из линейного резистора и двух включенных параллельно ему диодов. Вольт-амперная характеристика полученного нелинейного элемента изображена на рис. 3б. U1 и U2 – источники запирающего смещения. Регулируя величину запирающего смещения, можно изменять длину линейного участка ВАХ. Размер этого участка обычно выбирается чуть больше удвоенной амплитуды помехи (для создания большого для помехи сопротивления R). При уменьшении амплитуды помехи размер линейного участка уменьшают, тем самым уменьшая проявление инерционности фильтра при захвате. Такой фильтр имеет широкую полосу захвата при сильных сигналах (в режиме биений) и узкую – при слабом сигнале (в режиме удержания), т.е. фильтр должен применять свои фильтрующие свойства в зависимости от приращения уровня входного сигнала по отношению к выходному.

Рис. 3. а) Схема нелинейного RC-фильтра; б) ВАХ нелинейного элемента

При выборе схемы восстановления сигнала предпочтение отдается той схеме, которая при заданном уровне шумов обеспечивает меньшее время вхождения в синхронизм. Таким свойством обладает схема Костаса (рис. 4).

Рис. 4. Схема Костаса

В схеме Костаса входной сигнал является фазоманипулированным сигналом, сигнал в верхней ветви – синфазным, в нижней – квадратурным. Сигналом ошибки является произведение синфазного и квадратурного сигналов. Схема позволяет избежать ошибки детектирования при фазовых сдвигах до 90⁰.

В данной работе проводилось исследование существующих методов построения демодулятора на основе ФАПЧ. Исследование проводилось средствами моделирования на ЭВМ. Качество работы системы в целом определяется количеством потерянных бит. В данной работе рассматриваются две основные причины потери информационных бит: одиночные потери вследствие краткосрочного воздействия помехи в канале связи и потери в результате срыва слежения системой ФАПЧ. Во втором случае важным является быстрое восстановление режима слежения системой ФАПЧ. Таким образом, в качестве критериев оценки качества работы детектора можно принять его быстродействие и помехоустойчивость.

1. Исследование низкочастотных фильтров

С учетом схемы нелинейного фильтра, представленной на рис. 3, была предложена следующая схема для исследования (рис. 5).

Рис. 5. Структура модели фильтра

Схема состоит из нелинейного элемента (НЭ) и интегратора, охваченных обратной связью. Коэффициент 1/С – коэффициент, обратно пропорциональный емкости конденсатора. В качестве нелинейного элемента использовался элемент, имеющий вольт-амперную характеристику с изломом (рис. 6).

Рис. 6. ВАХ нелинейного элемента

В работе исследовалась работа трех видов фильтров: линейного фильтра Бесселя первого порядка, линейного фильтра, охваченного обратной связью, и предложенного нелинейного фильтра. Для анализа их работы фильтры включались в состав системы ФАПЧ и отслеживалась работа этой системы. В частности, проводилось наблюдение за режимами работы следящей системы (захват – слежение – срыв слежения).

Рис. 7. Режимы работы системы ФАПЧ (1 – линейный фильтр, 2 – линейный фильтр с обратной связью, 3 – фильтр с нелинейным элементом)

В результате исследования было установлено, что с увеличением влияния нелинейности фильтра расширяется полоса захвата системы ФАПЧ и уменьшается время переходных процессов, но в то же время ухудшаются ее свойства как следящей системы. Это проявляется в искажении формы выходного сигнала, наличии неких колебаний в составе сигнала в режиме слежения и т.д.

2. Исследование фазовых компараторов

При исследовании фазовых компараторов сравнивалась работа аналогового ФК (перемножителя) и цифрового ФК, представленного на рис. 2.

Сначала оценивалась работа фазовых компараторов в условиях наличия помех в канале связи. Главными критериями оценки выступали среднее значение уровня сигнала на выходе детектора и значение флуктуаций (СКО сигнала).

Исследования показали, что интенсивность уровня помех оказывает влияние на постоянную составляющую сигнала на выходе фазового компаратора. В условиях интенсивных помех различные фазовые компараторы ведут себя по-разному. В частности, аналоговый компаратор является более помехоустойчивым. Уровень постоянной составляющей сигнала на его выходе практически не варьируется в зависимости от уровня помех, а мера флуктуаций сигнала значительно меньше, чем у цифрового компаратора.

Далее на вход фазовых компараторов подавался синусоидальный сигнал со скачком фазы и исследовалась способность фазовых компараторов быстро восстанавливать режим слежения. Результаты исследования приведены на рис. 8.

Рис. 8. Реакция фазовых компараторов на сигнал со скачком фазы (1 – аналоговый ФК, 2 – цифровой ФК)

Фазовый сдвиг происходит в момент времени 220 мс. Как видно из графика, аналоговому компаратору требуется значительно больше времени на захват сигнала и восстановление режима слежения, чем цифровому. Средняя длительность переходных процессов у аналогового компаратора составляет 12 мс, в то время как у цифрового она равна 3,4 мс.

Проведенные исследования доказывают предположение о том, что аналоговые фазовые компараторы в условиях влияния помех работают более эффективно, чем цифровые. В то же время, использование цифровых компараторов позволяет увеличить быстродействие системы ФАПЧ.

Есть основание считать, что совместное использование аналогового и цифрового фазовых компараторов позволит объединить оба их преимущества – быстродействие и помехоустойчивость – в одной схеме, позволив таким образом минимизировать информационные потери.

3. Исследование ГУН

Исследование ГУН проводилось отдельно для систем ФАПЧ с аналоговым и цифровым фазовыми компараторами. На вход систем ФАПЧ подавался частотно-модулированный сигнал, и исследовалась их способность осуществлять захват сигнала при различных значениях крутизны характеристики ГУН. Значение крутизны характеристики изменялось в диапазоне 0 до 30 Гц/В с шагом 0,05 Гц/В.

В ходе исследования были выявлены следующие закономерности. Аналоговая система ФАПЧ осуществляет захват сигнала в диапазоне от 0,1 Гц/В до 0,3 Гц/В. В диапазоне от 0,15÷0,2 Гц/В форма и частота сигнала на выходе ФАПЧ совпадают с формой и частотой опорного сигнала, однако его амплитуда значительно превышает амплитуду опорного сигнала. С увеличением значения крутизны характеристики ГУН наблюдается приближение амплитуды выходного сигнала к амплитуде опорного, однако наряду с этим увеличивается длительность переходного процесса. При значениях крутизны характеристики ГУН свыше 0,3 Гц/В аналоговая система ФАПЧ не производит захвата.

Система ФАПЧ с цифровым фазовым детектором осуществляет захват сигнала при значениях крутизны характеристики ГУН от 0,05 Гц/В до 30 Гц/В. При этом амплитуда выходного сигнала близка к амплитуде опорного сигнала и практически не изменяется в зависимости от шага перестройки ГУН. При значении крутизны характеристики ГУН 30 Гц/В система ФАПЧ с цифровым ФК осуществляет захват сигнала, однако довольно быстро происходит срыв слежения.

Следовательно, при отсутствии помех цифровые фазовые компараторы работают более эффективно, чем аналоговые. В частности, при прочих равных условиях они способны осуществлять захват сигнала в большем диапазоне значений крутизны характеристики ГУН, чем аналоговые. Благодаря этому можно ускорить процесс захвата сигнала системой ФАПЧ и повысить ее быстродействие.

Выводы

На данном этапе написания магистерской работы было проведено исследование системы ФАПЧ как демодулятора ЧМ сигналов. Было установлено, что отдельные элементы системы ФАПЧ, такие как фазовый компаратор, ФНЧ, ГУН, в зависимости от своих параметров и схемы построения по-разному влияют на работу системы в целом.

В результате исследования фазовых компараторов было подтверждено предположение о том, что аналоговые фазовые компараторы в условиях влияния помех работают более эффективно, чем цифровые. Однако же использование цифровых фазовых компараторов позволяет повысить быстродействие системы ФАПЧ благодаря их способности быстро осуществлять захват сигнала, а также благодаря тому, что они могут работать при больших значениях крутизны характеристики ГУН.

В результате исследования фильтров было установлено, что использование нелинейных фильтров позволяет значительно ускорить процесс захвата сигнала системой и сократить время переходных процессов. Однако использование нелинейных фильтров способствует ухудшению качества сигнала на выходе системы ФАПЧ.

Можно сделать вывод, что все рассмотренные схемы имеют как свои преимущества, так и недостатки. Следовательно, целесообразным будет создать новую схему, которая объединит преимущества рассмотренных выше схем, то есть будет иметь высокую помехоустойчивость и быстродействие.

Примечание.

Данный автореферат отражает содержание магистерской работы не в полном объеме, поскольку на момент его написания исследования не были завершены.

Список использованной литературы

Template by Darjan Panic & Brian Green