Резюме

Автобіографія

Реферат

Факультет: Комп’ютерних інформаційних технологій та автоматики (КІТА)
Кафедра: Автоматики і телекомунікацій (АТ)
Спеціальність: Телекомунікаційні системи та мережі (ТКС)

Реферат за темою магістерської роботи

ДОСЛІДЖЕННЯ МЕТОДІВ ПІДВИЩЕННЯ ДОСТОВІРНОСТІ ПРИЙОМУ ДИСКРЕТНИХ СИГНАЛІВ В РАДІОКАНАЛІ З ВИКОРИСТАННЯМ ДЕМОДУЛЯТОРІВ НА ОСНОВІ ФАПЧ

Актуальність. В сучасних телекомунікаціях важливим при передачі сигналів по каналах зв'язку є їх точне відновлення на приймальній стороні. Ця задача вирішується демодуляторами. Важливою частиною демодуляторів є детектори. Одним із варіантів побудови детекторів є детектори на основі ФАПЧ.

Наявність завад у каналі зв’язку призводить до спотворення корисного сигналу. Якщо детектор має низьку завадостійкість, то в процесі відновлення сигналу можуть виникати одиничні бітові помилки на виході демодулятора. Також за наявності інтенсивних завад ФАПЧ може вийти з режиму слідкування, що призведе до втрати інформації. Це обумовлено тим, що частину інформаційних біт буде втрачено в процесі захвату сигналу системою.

Мета роботи – зменшення втрат інформаційних біт завдяки вдосконаленню демодулятора частотно-модульованих сигналів, що дозволить підвищити достовірність прийому дискретних сигналів.

Задачі роботи:

• дослідити існуючі системи ФАПЧ, визначити їхні переваги та недоліки;
• здійснити структурно-алгоритмічний синтез ФАПЧ, що об’єднує переваги розглянутих схем;
• включити отриману ФАПЧ до складу демодулятора ЧМ сигналів та порівняти його роботу з іншими демодуляторами;
• зробити висновок про підвищення достовірності прийому дискретних сигналів з використанням демодулятора на основі комбінованої системи ФАПЧ.

Наукова новизна. Науковою новизною цієї роботи є створення нової комбінованої схеми ФАПЧ, що об’єднає переваги існуючих аналогової та цифрової схем.

Передбачуваний практичний результат. В роботі планується здійснити структурно-алгоритмічний синтез демодулятора ЧМ сигналів на основі ФАПЧ, обґрунтувати його параметри та структуру, а також надати практичні рекомендації щодо його подальшого використання у телекомунікаційних мережах.

Огляд існуючих рішень

Існують аналогові та цифрові системи ФАПЧ. Аналогові системи забезпечують високу завадостійкість при низькому співвідношенні сигнал/шум на їхньому вході. Але їхнім недоліком є вузька смуга захвату. Окрім того, такі системи мають досить тривалий час захвату сигналу. Цифрові ФАПЧ мають більш широку смугу захвату та потенційно менший час захвату.

Структурну схему ФАПЧ наведено на рис. 1.

Рис. 1. Структурна схема ФАПЧ

Система ФАПЧ складається із фазового компаратора (ФК), фільтру низьких частот (ФНЧ), підсилювача сигналу і генератора, що управляється напругою (ГУН). Сигнал на виході ФАПЧ формується як міра фазового розузгодження вхідного сигналу і сигналу, що надходить від ГУН. Коли сигнали розрізняються за частотою, формується сигнал різницевої частоти, який згодом впливатиме на ГУН, наближаючи частоту ГУН f_ГУН до частоти вхідного сигналу f_вх. Вихідний сигнал знімається з виходу підсилювача. Зрештою вихідний сигнал ФАПЧ буде копією модулюючого сигналу. Так здійснюється задача демодуляції сигналів з кутовою модуляцією. Точність відновлення сигналу та ступінь пригнічення завад залежить від параметрів системи.

Розглянемо більш детально складові частини системи ФАПЧ. Фазовий компаратор потрібен для вимірювання миттєвої різниці фаз. В аналоговій ФАПЧ фазовий компаратор є звичайним перемножувачем. Найбільш універсальним та широко розповсюдженим цифровим фазовим компаратором є компаратор з трьома стійкими станами. Він будується на основі двох D-тригерів і логічного елементу «NAND», як показано на рис. 2.

Рис. 2. Схема фазового компаратора з трьома стійкими станами

Принцип роботи схеми такий. D-тригери перемикаються в одиничний стан за переднім фронтом управляючого імпульсу і залишаються в ньому до приходу сигналу скидання. Скидання відбувається, коли обидва вхідні сигнали мають високий рівень. Вихідні сигнали схеми залежать від частоти і фази вхідних. Якщо на вхід поступають сигнали з однаковою частотою і фазою, обидва вихідні сигнали мають низький рівень.

ФНЧ необхідний для фільтрації отриманого сигналу і видалення з його спектру паразитних компонент. Відомо, що значне розширення смуги пропускання фільтру призводить до того, що у складі корисного сигналу з’являються завади. При зменшенні смуги пропускання число завад зменшується, проте спостерігається погіршення якості сигналу. Повністю усунути це протиріччя неможливо, можна лише трохи зменшити його вплив на роботу усієї системи в цілому. Одним з варіантів розширення смуги захвату аналогової ФАПЧ є введення нелінійного фільтру в коло управління.

Модель нелінійного ФНЧ було запропоновано Ю.В. Ельтерманом та В.С. Дулицьким та описано в книзі В.В. Шахгільдяна.

Схему фільтру зі змінною смугою пропускання наведено на рис. 3а. Нелінійний фільтр складається з лінійного резистора і двох діодів, що включені паралельно йому. Вольт-амперну характеристику отриманого нелінійного елементу зображено на рис. 3б. U1 і U2 - джерела замикаючого зсуву. Регулюючи величину замикаючого зсуву, можна змінювати довжину лінійної ділянки ВАХ. Розмір цієї ділянки зазвичай обирається трохи більше подвоєної амплітуди завади (для створення опору R, завеликого для завади). При зменшенні амплітуди завади розмір лінійної ділянки зменшують, тим самим зменшуючи прояв інерційності фільтру при захваті. Такий фільтр має широку смугу захвату при сильних сигналах і вузьку - при слабкому сигналі (у режимі утримання), тобто фільтр повинен застосовувати свої фільтруючі властивості залежно від приросту рівня вхідного сигналу по відношенню до вихідного.

Рис. 3. а) Схема нелінійного RC-фільтру; б) ВАХ нелінійного елементу

При виборі схеми відновлення сигналу перевага віддається тій схемі, яка при заданому рівні шуму забезпечує менший час входження в синхронізм. Таку властивість має схема Костаса (рис. 4).

Рис. 4. Схема Костаса

У схемі Костаса вхідний сигнал є фазоманіпульованим сигналом, сигнал у верхній гілці - синфазний сигнал, в нижній - квадратурний. Сигналом помилки є добуток синфазного і квадратурного сигналів. Схема дозволяє уникнути помилки детектування при фазових зсувах до 90⁰.

В роботі було проведено дослідження існуючих методів побудови демодулятора на основі ФАПЧ. Дослідження проводилось засобами моделювання на ЕОМ. Якість роботи системи в цілому визначається кількістю втрачених біт. В цій роботі було розглянуто дві основні причини втрати інформаційних біт: одиничні втрати через короткостроковий вплив завади у каналі зв’язку та втрати в результаті зриву слідкування системою ФАПЧ. Таким чином, критеріями оцінки якості роботи детектора можна вважати його швидкодію та завадостійкість.

1. Дослідження низькочастотних фільтрів

С урахуванням схеми нелінійного фільтру, наведеної на рис. 3, було запропоновано наступну схему для дослідження (рис. 5).

Рис. 5. Структура моделі фільтру

Ця схема складається з нелінійного елементу (НЕ) та інтегратора, що охоплені зворотним зв'язком. Коефіцієнт 1/С - коефіцієнт, обернено пропорційний до ємності конденсатора. В схемі використовувався нелінійний елемент з вольт-амперною характеристикою, яку зображено на рис. 6.

Рис. 6. ВАХ нелінійного елементу

Було досліджено роботу трьох видів фільтрів: лінійного фільтру Бесселя першого порядку, лінійного фільтру зі зворотним зв’язком та нелінійного фільтру. Для аналізу їхньої роботи включімо їх до складу системи ФАПЧ та спостерігатимемо за режимами роботи цієї системи (захват – слідкування – зрив слідкування).

Рис. 7. Режими роботи системи ФАПЧ (1 - лінійний фільтр, 2 - лінійний зі зворотним зв’язком, 3 - нелінійний фільтр)

В результаті дослідження було встановлено, що зі збільшенням впливу нелінійності фільтру розширюється смуга захвату системи ФАПЧ в цілому, але водночас погіршуються її властивості як слідкувальної системи. Це проявляється в спотворенні форми вихідного сигналу, наявності деяких коливань у складі сигналу в режимі слідкування та ін.

2. Дослідження фазових компараторів

При дослідженні фазових компараторів було порівняно роботу аналогового ФК (перемножувача) та цифрового, який зображено на рис. 2.

Спочатку оцінювалася робота фазових компараторів за умови наявності завад у каналі зв’язку. Головними критеріями оцінки виступали середнє значення рівня сигналу на виході детектора та значення флуктуацій сигналу.

В результаті моделювання було встановлено, що інтенсивність завад впливає на постійну складову сигналу на виході ФК. В умовах інтенсивних завад фазові компаратори працюють по-різному. Зокрема, аналоговий компаратор є більш завадостійким. Рівень постійної складової сигналу на його виході практично не змінюється залежно від рівня завад, а флуктуації сигналу значно менші, ніж у цифрового компаратора.

Далі на вхід компараторів подавали синусоїдальний сигнал зі стрибком фази та досліджували здатність ФК швидко відновлювати режим слідкування. Результати дослідження наведено на рис. 8.

Рис. 8. Реакція фазових компараторів на сигнал зі стрибком фази

Стрибок фази відбувається в момент часу 220 мс. Як видно на графіку, аналоговому компараторові потрібно більше часу на відновлення режиму слідкування, ніж цифровому. Середня тривалість перехідних процесів у аналоговому компаратору сягає 12 мс, тоді як у цифровому вона дорівнює 3,4 мс.

Проведені дослідження доводять припущення про те, що аналогові фазові компаратори в умовах впливу завад працюють ефективніше, ніж цифрові. Але використання цифрових компараторів дозволяє підвищити швидкодію системи ФАПЧ.

Тож є підстави вважати, що спільне використання аналогового та цифрового фазових компараторів дозволить об’єднати обидві їхні переваги – швидкодію та завадостійкість – в одній схемі, що дозволить звести до мінімуму інформаційні втрати.

3. Дослідження ГУН

Дослідження ГУН проводилось окремо для систем ФАПЧ з аналоговим та цифровим фазовими компараторами. На вхід систем ФАПЧ подавали частотно-модульований сигнал та досліджувалася здатність систем до захвату сигналу при різних значеннях крутизни характеристики ГУН. Значення крутизни характеристики ГУН змінювалося від 0 до 30 Гц/В з кроком 0,05 Гц/В.

В ході дослідження було виявлено наступні закономірності. Аналогова система ФАПЧ здійснює захват сигналу в діапазоні від 0,1 Гц/В до 0,3 Гц/В. В діапазоні від 0,15÷0,2 Гц/В форма і частота сигналу на виході співпадають з формою і частотою опорного сигналу, проте його амплітуда значно перевищує амплітуду опорного сигналу. Зі збільшенням крутизни характеристики ГУН спостерігається наближення амплітуди вихідного сигналу до амплітуди опорного, але разом з цим збільшується тривалість перехідного процесу. При значеннях кроку перестройки ГУН більше 0,3 Гц/В аналогова система ФАПЧ не здійснює захват сигналу.

Система ФАПЧ з цифровим фазовим компаратором здійснює захват сигналу при значеннях крутизни характеристики ГУН від 0,05 Гц/В до 30 Гц/В. При цьому амплітуда вихідного сигналу близька до амплітуди опорного сигналу і майже не змінюється залежно від значення крутизни характеристики ГУН. При значенні крутизни характеристики ГУН 30 Гц/В ФАПЧ з цифровим ФК здійснює захват сигналу, але досить швидко відбувається зрив слідкування.

Отже, за відсутності завад цифрові фазові компаратори працюють ефективніше за аналогові. Зокрема, вони здатні здійснювати захват сигналу в більшому діапазоні значень крутизни характеристики ГУН. Завдяки цьому можна прискорити процес захвату сигналу системою ФАПЧ та підвищити її швидкодію.

Висновки

На цьому етапі написання магістерської роботи було проведено дослідження системи ФАПЧ як демодулятора ЧМ сигналів. Було встановлено, що окремі елементи системи ФАПЧ, такі як фазовий компаратор, ФНЧ, ГУН, в залежності від схеми їхньої побудови по-різному впливають на роботу системи в цілому.

В результаті дослідження фазових компараторів було підтверджено гіпотезу про те, що аналогові фазові компаратори в умовах впливу завад працюють ефективніше, ніж цифрові. Проте використання цифрових фазових компараторів може підвищити швидкодію системи ФАПЧ завдяки тому, що вони здатні працювати при великих значеннях крутизни характеристики ГУН.

В результаті дослідження фільтрів було встановлено, що застосування нелінійних фільтрів дозволяє значно прискорити процес захвату сигналу системою ФАПЧ та зменшити тривалість перехідних процесів. Але використання нелінійних фільтрів призводить до погіршення якості сигналу на виході ФАПЧ. В результаті дослідження фільтрів було встановлено, що застосування нелінійних фільтрів дозволяє значно прискорити процес захвату сигналу системою ФАПЧ та зменшити тривалість перехідних процесів. Але використання нелінійних фільтрів призводить до погіршення якості сигналу на виході ФАПЧ.

Можна зробити висновок, що всі розглянуті схеми мають свої переваги, але кожна з них має і недоліки. Отже, доцільним буде створити нову комбіновану схему, що об’єднає переваги розглянутих вище схем, тобто матиме високу завадостійкість та швидкодію.

Примітка.

Автореферат відображає зміст магістерської роботи не повністю, оскільки на момент його написання дослідження ще не були завершені.

Перелік посилань

Template by Darjan Panic & Brian Green