устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи со значительными частотными нестабильностями и ограничениями на энергетику

Классы МПК:H04L7/02 регулирование скорости и(или) фазы с помощью принятых кодовых сигналов, которые не содержат особой синхронизирующей информации 
Автор(ы):, ,
Патентообладатель(и):Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого МО РФ (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2010-01-22
публикация патента:

Изобретение относится к области радиосвязи и может найти применение в системах, использующих широкополосные псевдослучайные сигналы (ПСП). Технический результат заключается в обеспечение надежной синхронизации передатчика и приемника по несущей частоте в каналах связи со значительными частотными нестабильностями и ограничениями на энергетику. Устройство содержит два квадратурных канала, накопитель, фазовращатель на устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 /2, фильтр нижних частот, фазовый детектор, инвертор, управляемый генератор, средство, которое формирует на первом выходе сигнал, характеризующий величину рассогласования принимаемого и опорного сигналов по частоте, а на втором выходе - рассчитанную частоту рассогласования принятого и опорного сигналов F, сумматор, генератор опорного сигнала и пороговое устройство. Каждый квадратурный канал включает перемножитель, полосовой фильтр, аналого-цифровой преобразователь, цифровой согласованный фильтр, блок квадраторов и детектор максимального сигнала. 1 ил. устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408

устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408

Формула изобретения

Устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи со значительными частотными нестабильностями и ограничениями на энергетику, в состав которого входят два квадратурных канала и фазовращатель на устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 /2, причем первый квадратурный канал состоит из первого перемножителя, а второй квадратурный канал - из второго перемножителя, первые входы первого и второго перемножителей объединены и являются входом устройства синхронизации, выход фазовращателя на устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 /2 соединен со вторым входом первого перемножителя, отличающееся тем, что в первый квадратурный канал дополнительно введены последовательно соединенные первый полосовой фильтр, вход которого соединен с выходом первого перемножителя, первый аналого-цифровой преобразователь, первый цифровой согласованный фильтр, N выходов которого, каждый в отдельности, соединены с соответствующими N входами первого блока квадраторов, где N - длина псевдослучайной последовательности, а N выходов первого блока квадраторов, каждый в отдельности, соединены с соответствующими N входами первого детектора максимального сигнала, выход которого соединен с входом инвертора и с первым входом накопителя, а во второй квадратурный канал введены последовательно соединенные второй полосовой фильтр, вход которого соединен с выходом второго перемножителя, второй аналого-цифровой преобразователь, второй цифровой согласованный фильтр, N выходов которого, каждый в отдельности, соединены с соответствующими N входами второго блока квадраторов, а N выходов второго блока квадраторов, каждый в отдельности, соединены с соответствующими N входами второго детектора максимального сигнала, выход которого соединен с первым входом сумматора и с вторым входом накопителя, выход инвертора соединен со вторым входом сумматора, а выход накопителя соединен с первым входом порогового устройства, на второй вход которого подается напряжение порога Uпор, выход сумматора соединен с входом средства, которое формирует на первом выходе сигнал, характеризующий величину рассогласования принимаемого и опорного сигналов по частоте, а на втором выходе - рассчитанную частоту рассогласования принятого и опорного сигналов F, причем его первый выход соединен первым входом управляемого генератора и входом генератора опорного сигнала, а его второй выход - с первым входом фазового детектора, второй вход фазового детектора соединен с выходом генератора опорного сигнала, выход фазового детектора через фильтр нижних частот соединен со вторым входом управляемого генератора, выход управляемого генератора соединен со вторым входом второго перемножителя и с входом фазовращателя на устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 /2, выход порогового устройства является выходом устройства синхронизации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области радиосвязи и может найти применение в системах беспроводного доступа, фиксированной, сухопутной подвижной и спутниковой связи.

Известны системы сотовой и спутниковой связи, использующие псевдослучайные сигналы, а именно: система сотовой подвижной связи стандарта IS-95 на основе технологии многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (МДКР) (в иностранной терминологии - CDMA); система спутниковой связи «Глобалстар» (США), SAT-CDMA (Ю. Корея), SW-CDMA (Европейское космическое агентство - ESA) [1], а также перспективные системы с МДКР, такие как CDMA-450, CDMA-2000 и WCDMA. Эффективное функционирование данных систем во многом зависит от обеспечения синхронной работы их передающих и приемных устройств, которая может быть нарушена вследствие как взаимной нестабильности частот передаваемых и опорных сигналов, так и эффекта Доплера, обусловленного перемещением в пространстве передающих и приемных устройств относительно друг друга со значительными скоростями.

Отмеченная нестабильность частот является серьезной причиной, затрудняющей обнаружение передаваемых сигналов и последующую синхронизацию передающих и приемных устройств.

Поскольку обнаружение сигнала и синхронизация приемника по несущей и тактовой частотам осуществляется по преамбуле и маркеру, которые передаются в начале сеанса связи, то при нестабильности несущей частоты в канале связи, соизмеримой с тактовой частотой формирования преамбулы и маркера FT, имеет место паразитная модуляция сигнала на длине преамбулы и маркера, что значительно ухудшает характеристики обнаружения сигнала, а также установление цикловой и тактовой синхронизации приемника. Например, при относительной нестабильности частоты устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 =10-7 и величине несущей fн=14 ГГц значение абсолютной величины нестабильности частоты fp =±fн·устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 =±1,4 кГц. Тогда при FT=7 кГц и использовании фазовой или относительной фазовой модуляции каждый пятый принятый символ будет ошибочным (FT/fp=7/1,4=5).

Столь высокая частота возникновения ошибок из-за нестабильности частот на этапе синхронизации приемника недопустима. Для устранения частотной расстройки принимаемого и опорного сигналов в известных системах широко используются системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Однако при малых отношениях с/ш в информационном канале и ограничениях на время установления синхронизации при заданной длительности преамбулы использование ФАПЧ может оказаться проблематичным. Например, пусть длительность преамбулы Тпр=16 мс, время установления синхронизации по несущей частоте Тсч =2 мс, тактовая частота формирования преамбулы и маркера F T=7 кГц, требуемое отношение с/ш на входе схемы ФАПЧустройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 17 дБ, вероятность ошибки на бит принятой информации равна 10-3, что соответствует отношению с/ш в информационном канале 3 дБ.

Исходя из динамики работы ФАПЧ ее постоянная времени устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 должна обеспечивать завершение переходных процессов в схеме и составлять от времени установления синхронизации по несущей частоте величину устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 0,5Тсч. Для нашего случая устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 =0,5Тсч=1 мс. Тогда полоса пропускания ФАПЧ должна составлять устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 .

При этих значениях отношение с/ш на выходе ФАПЧ будет в 7 раз устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 выше, чем в информационном канале, т.е. выше на ~8 дБ. Учитывая, что отношение с/ш в информационном канале составляет 3 дБ, отношение с/ш на входе ФАПЧ будет составлять (8+3)=11 дБ. Из приведенных расчетов следует, что отношение с/ш на входе ФАПЧ не достигает требуемого значения на 6 дБ. Следовательно, схема не обеспечивает требуемых характеристик синхронизации по несущей частоте.

Чтобы обеспечить требуемое качество синхронизации (отношение с/ш на входе ФАПЧ должно быть устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 17 дБ) необходимо уменьшить полосу пропускания ФАПЧ в 4 раза, т.е. она будет составлять 0,250 кГц. Это приведет к изменению постоянной времени ФАПЧ устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 с 1 мс до 4 мс, а время установления синхронизации Т сч составит 8 мс, т.е. время установления синхронизации составит половину длительности преамбулы, т.е. времени для решения задач обнаружения сигнала и тактовой синхронизации будет недостаточно.

Целью настоящего изобретения является разработка устройства, позволяющего обеспечить синхронизацию передатчика и приемника по несущей частоте в многоканальных системах связи с кодовременным разделением каналов, работающих в условиях больших частотных расстроек принимаемых сигналов относительно опорной частоты и жестких энергетических ограничений.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство [2, с.194, рис.6.6], включающее два квадратурных канала, первый из которых состоит из последовательно соединенных первого перемножителя, первого усилителя, первого согласованного фильтра и первого квадратичного детектора, а второй квадратурный канал - из последовательно соединенных второго перемножителя, второго усилителя, второго согласованного фильтра и второго квадратичного детектора, а также сумматор, выход которого является выходом обнаружителя, фазовращатель на устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 /2 и гетеродин, при этом первые входы первого и второго перемножителей объединены и являются входом обнаружителя, выход гетеродина соединен со вторым входом второго перемножителя и через фазовращатель на устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 /2 - со вторым входом первого перемножителя, выход первого квадратичного детектора соединен с первым входом сумматора, а выход второго квадратичного детектора - со вторым входом сумматора.

Указанная цель достигается тем, что в известное устройство, включающее два квадратурных канала, первый из которых состоит из последовательно соединенных первого перемножителя, первого усилителя, первого согласованного фильтра и первого квадратичного детектора, а второй квадратурный канал - из последовательно соединенных второго перемножителя, второго усилителя, второго согласованного фильтра и второго квадратичного детектора, а также сумматор, выход которого является выходом обнаружителя, фазовращатель на устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 /2 и гетеродин, при этом первые входы первого и второго перемножителей объединены и являются входом обнаружителя, выход гетеродина соединен со вторым входом второго перемножителя и через фазовращатель на устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 /2 - со вторым входом первого перемножителя, выход первого квадратичного детектора соединен с первым входом сумматора, а выход второго квадратичного детектора - со вторым входом сумматора, внесены следующие изменения:

исключены сумматор и гетеродин, в первом квадратурном канале исключены первый усилитель, первый согласованный фильтр и первый квадратичный детектор, а во втором квадратурном канале - второй усилитель, второй согласованный фильтр и второй квадратичный детектор, а также введены новые элементы и соответствующие связи между ними, а именно, в первый квадратурный канал дополнительно введены:

последовательно соединенные первый полосовой фильтр, вход которого соединен с выходом первого перемножителя, первый аналого-цифровой преобразователь, первый цифровой согласованный фильтр, N выходов которого, каждый в отдельности, соединены с соответствующими N входами первого блока квадраторов, где N - длина псевдослучайной последовательности, а N выходов первого блока квадраторов, каждый в отдельности, соединены с соответствующими N входами первого детектора максимального сигнала, выход которого соединен со входом инвертора и с первым входом накопителя,

а во второй квадратурный канал введены: последовательно соединенные второй полосовой фильтр, вход которого соединен с выходом второго перемножителя, второй аналого-цифровой преобразователь, второй цифровой согласованный фильтр, N выходов которого, каждый в отдельности, соединены с соответствующими N входами второго блока квадраторов, а N выходов второго блока квадраторов, каждый в отдельности, соединены с соответствующими N входами второго детектора максимального сигнала, выход которого соединен с первым входом сумматора и с вторым входом накопителя,

выход инвертора соединен со вторым входом сумматора, а выход накопителя соединен с первым входом порогового устройства, на второй вход которого подается напряжение порога Uпор,

выход сумматора соединен с входом устройства цифровой обработки, первый выход которого соединен с первым входом управляемого генератора и входом генератора опорного сигнала, а его второй выход - с первым входом фазового детектора, второй вход фазового детектора соединен с выходом генератора опорного сигнала, выход фазового детектора через фильтр нижних частот соединен с вторым входом управляемого генератора, выход управляемого генератора соединен со вторым входом второго перемножителя и с входом фазовращателя на устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 /2, выход порогового устройства является выходом устройства.

Отличительными признаками предлагаемого устройства являются введенные в его схему новые элементы, а именно: первый и второй полосовые фильтры, первый и второй аналого-цифровые преобразователи, первый и второй цифровые согласованные фильтры, первый и второй блоки квадраторов, первый и второй детекторы максимального сигнала, инвертор, сумматор, накопитель, фазовый детектор, фильтр нижних частот, пороговое устройство, управляемый генератор, устройство цифровой обработки, генератор опорного сигнала, а также соответствующие связи между ними, благодаря чему удается обеспечить обнаружение сигнала при значительных расстройках по несущей частоте, что соответствует критерию «новизна».

Поскольку совокупность введенных элементов и их связи до даты подачи заявки в патентной и научной литературе не обнаружены, то предлагаемое техническое решение соответствует «изобретательскому уровню».

Структурная схема устройства представлена на фиг.1. Цифрами на фиг.1 обозначены:

1, 17 - полосовой фильтр (ПФ);

2, 18 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

3, 19 - цифровой согласованный фильтр (ЦСФ);

4, 20 - блок квадраторов (БК);

5, 21 - детектор максимального сигнала (ДМС);

6, 11 - перемножитель (П);

7 - фазовращатель (ФВ);

8 - фильтр нижних частот (ФНЧ);

9 - фазовый детектор (ФД);

10 - инвертор (И);

12 - управляемый генератор (УГ);

13 - устройство цифровой обработки (УЦО);

14 - сумматор (С);

15 - накопитель (Н);

16 - пороговое устройство (ПУ);

22 - генератор опорного сигнала (ГОС).

Работу устройства рассмотрим по структурной схеме, которая представлена на фиг.1, при следующих условиях:

1. Входной сигнал имеет следующую структуру: преамбулу, за которой следует маркер, затем следует служебная и управляющая информация и, наконец, последовательность канальных интервалов для размещения информации пользователей сети связи.

2. Синхронизация принятой несущей устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 н и опорной устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 о частот на приемной стороне осуществляется по информации, содержащейся в сигнале преамбулы. Преамбула представляет собой интервал определенной длительности Тпр, заполненный несущей частотой устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 н, которая промодулирована меандром (меандр - последовательность разнополярных импульсов, частота следования которых задает тактовую частоту Fт последующих информационных и служебных сообщений).

3. Для обеспечения синхронизации в сети связи, для кодового разделения каналов (сигналов), а также для повышения помехозащищенности входной сигнал дополнительно кодируется периодической псевдослучайной последовательностью (ПСП) (применительно к преамбуле происходит сложение по модулю два псевдослучайной последовательности с последовательностью разнополярных импульсов преамбулы). Чтобы гарантировать неискаженную свертку ПСП в цифровом согласованном фильтре, длина ПСП N выбирается равной или меньшей длительности тактового импульса преамбулы.

4. Величина порогового сигнала в ПУ (16) выбирается исходя из требований к вероятностям пропуска сигнала и ложной тревоги.

Пусть на вход устройства (первые входы первого (6) и второго (11) П) поступает сигнал преамбулы вида

устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408

где Am - амплитуда сигнала;

устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 н - угловая несущая частота;

устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 =(устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 о+устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 ) - фаза сигнала;

устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 о - начальная фаза сигнала;

устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 - приращение фазы, определяемое элементами ПСП;

устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 - коэффициент, принимающий значения 0 или 1, в зависимости от элементов ПСП;

n(t) - нормальный гауссов шум с дисперсией устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 2 и нулевым математическим ожиданием, т.е. устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 ,

а на вторые входы П (6) и (11) поступает сигнал от УГ (12), причем на второй вход П (11) сигнал от УГ (12) поступает непосредственно и имеет вид cos(устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 ot), а на второй вход П (6) - через ФВ (7) и имеет вид sin(устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 ot).

В перемножителях (6) и (11) происходит перемножение сигналов и на их выходах появляются две квадратурные составляющие, а именно: на выходе П (11) составляющая вида

устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408

а на выходе П (6) составляющая вида

устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408

Составляющие суммарной частоты подавляются ПФ (1) и (17), а составляющие разностной частоты свободно проходят через эти фильтры и поступают на соответствующие входы АЦП (2) и (18). Сигнал на входе АЦП (18) имеет вид

устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408

а на входе АЦП (2)

устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408

где устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 - величина расстройки принятой несущей и опорной частот.

В АЦП (2) и (18) сигнал разностной частоты преобразуется в цифровую форму, т.е. аналоговая входная величина преобразуется в соответствующее число. На выходе АЦП (18) сигнал имеет вид

устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408

а на выходе АЦП (2) -

устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408

где i - порядковый номер выборки на интервале ПСП. Причем i принимает значения от 1 до L, a Lустройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 2N, где N - число элементов ПСП;

n(t i) - шумовая составляющая с параметрами: устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408

Сигналы с выходов АЦП (2) и (18) в цифровой форме поступают на входы ЦСФ (3) и (19) соответственно. В ЦСФ (3) и (19) происходит сжатие сигнала и на каждом n-м их выходе (n принимает значения от 1 до N) формируются отсчеты взаимокорреляционной функции (ВКФ) ПСП с периодом N, причем на одном из n выходов ЦСФ (2) и (18) присутствует отсчет максимального уровня, соответствующий максимальному значению ВКФ, а на остальных выходах присутствуют отсчеты боковых выбросов ВКФ в смеси с шумом, который, как правило, превышает значение боковых выбросов ВКФ [3]. Учитывая выражения (1) и (2) отсчет максимального уровня на выходе ЦСФ (19) для j-й ПСП имеет вид

устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408

а на выходе ЦСФ (3)

устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408

где устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 - порядковый номер ПСП из общего числа ПСП М, отведенных для установления синхронизации по несущей частоте.

Отсчеты с каждого из n выходов ЦСФ (3) и (19) один раз за период ПСП поступают на соответствующие n-е входы блоков квадраторов (4) и (20).

В БК (4) и (20) поступившие сигналы возводятся в квадрат и на одном из N выходов каждого БК появляется отсчет мощности максимального уровня, соответствующий максимальному значению ВКФ на одном периоде ПСП, а на остальных (N-1) выходах - отсчеты мощности, соответствующие отсчетам боковых выбросов ВКФ совместно с шумом.

С учетом выражения (3) максимальное значение отсчета мощности на одном из выходов БК (20) будет иметь вид

устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408

Учитывая, что устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 , a (устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 tj+устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 j)=(2устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 Ftj+устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 j)=Фj, где F - величина рассогласования по частоте принятой несущей и опорной частот, выражение (5) будет иметь вид

устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408

А максимальное значение отсчета мощности на одном из выходов БК (4) с учетом выражения (4) и, учитывая, что устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 , a (устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 tj+устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 j)=(2устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 Ftj+устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 j)=Фj, будет иметь вид

устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408

Отсчеты мощности с каждого из n выходов БК (4) и (20) поступают на соответствующие n-е входы ДМС (5) и (21). В ДМС (5) и (21) из N поступивших отсчетов мощности выбирается максимальный отсчет. Выбранный максимальный отсчет с выхода ДМС (5) поступает на первый вход накопителя (15) и на вход инвертора (10). Инвертор (10) изменяет знак поступившего сигнала и направляет его на второй вход сумматора (14). Выбранный максимальный отсчет с выхода ДМС (21) поступает на второй вход накопителя (15) и на первый вход сумматора (14). В сумматоре (14) происходит формирование отсчетов разностей сигналов квадратурных каналов

устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408

Тогда математическое ожидание устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 с учетом оговоренных выше характеристик шумовой составляющей n(t) будет иметь вид

устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408

Отсчеты разностей устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 поступают на вход устройства цифровой обработки (13). УЦО (13) выполняет функцию спектроанализатора на основе алгоритма быстрого преобразования Фурье (т.е. реализует гребенку узкополосных фильтров с полосой пропускания каждого фильтра устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 fфг, величина которой определяется требованиями к разрешающей способности и точности спектрального анализа) [4]. На первом выходе УЦО (13) появляется сигнал, характеризующий величину рассогласования принимаемого и опорного сигналов по частоте. Величина рассогласования по частоте F определяется значением второй гармоники рассогласования принимаемого и опорного сигналов, которое определяется в УЦО (13).

Информация о величине рассогласования с первого выхода УЦО (13) подается на первый вход управляемого генератора (12) и на вход генератора опорного сигнала (22). Сигнал, поступивший на первый вход УГ (12), подстраивает его частоту в соответствии с принятой несущей («грубая» настройка). «Грубая настройка» приводит к уменьшению частотной расстройки принимаемого и опорного сигналов до величины устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 fфг/2.

Сигнал, поступивший на вход ГОС (22), устанавливает значение его опорной частоты f оп, соответствующее величине частотной расстройки F, которая подается на первый вход ФД (9). На второй вход ФД (9) со второго выхода УЦО (13) подается рассчитанная частота рассогласования принятого и опорного сигналов F. В ФД происходит сравнение f оп и F, а результат сравнения через ФНЧ (8) подается на второй вход УГ (12) и устраняет оставшуюся часть частотной расстройки («точная» настройка).

Поскольку приемник сигнала некогерентный, то смещением сигналов по начальной фазе устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 можно пренебречь.

Необходимое математическое обоснование алгоритма работы УЦО и расчета оценки расхождения частот принятого и опорного сигналов F представлено ниже.

В накопителе (15) происходит суммирование отсчетов мощности максимального уровня квадратурных каналов и их накопление.

устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408

Математическое ожидание устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 с учетом оговоренных выше характеристик шумовой составляющей n(t) будет иметь вид

устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408

Результат накопления непрерывно подается на первый вход порогового устройства (16). На второй вход ПУ (16) подается пороговый сигнал Uпор. При достижении

устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408

на выходе ПУ (16) формируется сигнал U вых, который сигнализирует о том, что частотная расстройка принятого и опорного сигналов устранена.

Оценку параметра, характеризующего величину рассогласования по частоте принятой несущей и опорного сигнала, проведем по методу наименьших квадратов [5]. Для нашего случая этот метод принимает вид

устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408

где устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 ; устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 - математические ожидания максимальных значений отсчетов мощности на выходах блоков квадраторов (20) и (4) соответственно.

Математические ожидания устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 ; устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 с учетом выражений (6) и (7) и оговоренных выше характеристик шумовой составляющей n(t) будут иметь вид

устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408

С учетом (13) выражения (12) примут вид

устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408

Для нахождения минимума выражения (14) приравняем к нулю частные производные по параметру cos2Ф j

устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408

устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408

Из (15) следует, что

устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408

После несложных алгебраических преобразований выражение (16) примет вид

устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408

Из сравнения выражений (9) и (17) следует, что выбранный нами алгоритм обработки разности максимальных откликов квадратурных каналов в УЦО (13) позволяет не только рассчитать значение параметра, характеризующего величину рассогласования принятой несущей и опорной частот, но и обеспечивает получение оптимальной оценки данного параметра.

Оценку функциональных возможностей заявленного устройства проведем при следующих условиях: ширина спектра входного широкополосного сигнала (ШПС) устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 Fшпс=16,384 МГц; длина ПСП N=2048 элементов; длительность преамбулы Тпр=16 мс; время установления синхронизации по несущей частоте Тсч=2 мс; относительная нестабильность частоты устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 =10-7; несущая частота fн=14 ГГц, отношение с/ш на входе ФАПЧ (ФД (9))устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 17 дБ, а в информационном канале - 3 дБ.

При данных условиях максимальное значение абсолютной нестабильности принятой несущей частоты и частоты управляемого генератора (12) составит fp=fн*устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 =1,4 кГц.

Поскольку величина рассогласования принятой несущей частоты и частоты управляемого генератора (12) определяется значением выделенной УЦО (13) второй гармоники частот рассогласования (см. выражение 9), то максимальный интервал нестабильности (общая расстройка частот) устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 Fр=2fp и составит 2,8 кГц.

Полоса пропускания ФАПЧ определяется временем установления синхронизации по несущей частоте Тсч и составит устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 . В свою очередь, полоса пропускания ФАПЧ устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 FФАП ограничивает полосу пропускания узкополосных фильтров гребенки, т.е. устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 fфгустройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 FФАП, кроме того, для обеспечения требуемого отношения с/ш на входе ФАПЧ, как было рассчитано ранее, величина устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 fфг не может быть >250 Гц. Пусть устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 fфг=250 Гц, тогда число узкополосных фильтров m в составе гребенки УЦО (13), перекрывающих весь диапазон расстройки устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 Fp, должно быть

m=устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 Fp/устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 fфг=2,8/0,25устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 11.

Известно [6], что при реализации функции спектроанализа на основе алгоритма быстрого преобразования Фурье необходимое число фильтров m определяется выражением 2n , где n принимает значения 1, 2, 3, устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 . Для нашего случая n=4, m=16.

Известно также [6], что для достаточно точного восстановления сигнала с ограниченным спектром по его выборкам необходимо, чтобы частота следования выборок (частота дискретизации) fд>2f м, где fм - наивысшая частота восстанавливаемого сигнала.

Значение частоты следования отсчетов fд для нашего случая определим из следующих рассуждений: на интервале длительности преамбулы Тпр=16 мс уложатся 128 периодов ПСП длительностью N=2048 элементов

(устройство синхронизации несущей и опорной частот в канале связи   со значительными частотными нестабильностями и ограничениями   на энергетику, патент № 2451408 Fшпс·Тпр)/N=(16348000·0,016)/2048=128,

а на интервале времени установления синхронизации Тсч=2 мс - 16 периодов ПСП, т.е. 16 откликов согласованных фильтров (16 отсчетов). Следовательно, fд=16/Т сч=16/2·10-3=8000 Гц.

Наивысшая частота восстанавливаемого сигнала fм есть не что иное, как значение частоты второй гармоники при максимальном рассогласовании принятой несущей частоты и частоты управляемого генератора (12), т.е. fм=2F=2800 Гц, а 2fм =5600 Гц. Следовательно, fд превышает 2fм .

Из изложенного выше следует, что предложенное техническое решение имеет преимущества перед прототипом, поскольку позволяет устранить рассогласование частот при ограничениях на время установления синхронизации Тсч и при заданной длительности преамбулы.

Источники информации

1. Новые стандарты широкополосной радиосвязи на базе технологии W-CDMA, М.: Международный центр научно-технической информации, 1999. (стр.38-58).

2. Алексеев А.И., Шереметьев А.Г., Тузов Г.И., Глазов Б.И. Теория и применение псевдослучайных сигналов. - М.: Изд-во «Наука», 1969. - 367 с.

3. Варакин Л.Е. Теория сложных сигналов. - М.: Советское радио, 1970. - 375 с.

4. Цифровые фильтры и устройства обработки сигналов на интегральных микросхемах: Справочное пособие / Ф.Б.Высоцкий, В.И.Алексеев, В.Н.Пачин и др.; Под ред. Б.Ф.Высоцкого. - М.: Радио и связь, 1984. - 216 с.

5. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1982. - 624 с.

6. Введение в цифровую фильтрацию. Под ред. Р.Боргера и А.Констандинидиса. Пер. с англ. под ред. Л.И.Филиппова. - М.: «Мир», 1976. - 216 с.

Класс H04L7/02 регулирование скорости и(или) фазы с помощью принятых кодовых сигналов, которые не содержат особой синхронизирующей информации 

устройство синхронизации в системе радиосвязи с программной перестройкой рабочей частоты -  патент 2510933 (10.04.2014)
устройство синхронизации псевдослучайной последовательности с функцией исправления ошибок -  патент 2486682 (27.06.2013)
дискриминатор для синхронизации по задержке в-частотного дискретно-кодированного сигнала -  патент 2479139 (10.04.2013)
способ и устройство формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции -  патент 2439819 (10.01.2012)
не допускающая сбоев схема мультиплексора синхросигналов и способ работы -  патент 2404517 (20.11.2010)
способ синхронизации микрокомпьютеров, например бортовых компьютеров, параллельно работающих в сети -  патент 2390953 (27.05.2010)
способ и устройство синхронизации псевдослучайных последовательностей -  патент 2320080 (20.03.2008)
временной дискриминатор устройства тактовой синхронизации -  патент 2314646 (10.01.2008)
устройство поиска широкополосных сигналов -  патент 2313183 (20.12.2007)
устройство поиска широкополосных сигналов -  патент 2311733 (27.11.2007)
Наверх