Варианты реализации схем систем частотно-фазовой синхронизации в условиях многолучевого распространения передаваемого сигнала

Размещено на http://www.allbest.ru/

Варианты реализации схем систем частотно-фазовой синхронизации в условиях многолучевого распространения передаваемого сигнала

В.А. Цимбал, Д. В. Мокринский, А. А. Парфентьев

Аннотация

В данной статье, проведены варианты реализации схем частотно-фазовой синхронизации для сигналов с QPSK модуляцией и проведена оценка эффективности их работы. Для каждого варианта приведены значения вероятности битовой ошибки, в зависимости от частотного рассогласования в канале связи и отношения сигнал/шум на входе схемы; также приведены характеристики приема при работе с каналом связи с ионосферными замираниями (по модели Ваттерсона).

Ключевые слова: синхронизация; частотная синхронизация; фазовая автоподстройка; адаптивный эквалайзер.

In this article, the variants of the implementation of frequency-phase synchronization schemes for signals with QPSK modulation are carried out and the effectiveness of their work is evaluated. For each option, the values of the bit error probability are given, depending on the frequency difference in the communication channel and the signal-to-noise ratio at the circuit input; Also, reception characteristics are given when working with a communication channel with ionospheric fading (according to the Watterson model).

Keywords: synchronization; frequency synchronization; phase locking; adaptive equalizer. фазовая автоподстройка частота сигнал

Введение

По характеру воздействия на сигналы различают мультипликативные и аддитивные помехи. Аддитивные помехи возникают вне приемника или внутри него и представляют собой случайные колебания, складывающиеся с сигналом. Аддитивные помехи моделируются посредством передачи сигнала в канал с наличием аддитивного белого гауссова шума (AWGN-канал).

Однако далеко не любое искажение сигнала, которое имеет место в реальных радиоканалах, может быть представлено в рамках модели белого гауссова шума [1,2].

Мультипликативные помехи вызываются случайными изменениями коэффициента передачи канала. Причинами этого могут являться замирания радиоволн. Принимаемое колебание под действием мультипликативной помехи можно представить в виде:

(1)

где - случайная неотрицательная функция.

Физический принцип возникновения мультипликативных помех заключается в том, что информационный модулированный сигнал попадает на приемную антенну по нескольким путям (лучам). В результате сложения, на приемной стороне, всех пришедших лучей формируется общий коэффициент передачи канала. В результате изменения условий распространения коэффициент передачи канала меняется - возникают замирания в канале связи.

Вышеописанный эффект получил название - многолучевого распространения передаваемого сигнала. При этом, хорошо описаны эффекты значительного ухудшения качества приема при возникновении замираний различных типов и глубины. [3] Критически важной, проблема становиться для систем и средств связи, работающих в декаметровой области частот распространения радиоволн, при этом для уменьшения эффекта искажений принимаемого сигнала используются специализированные системы частотно-фазовой синхронизации, основными компонентами которых являются контуры цифровой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и адаптивные фильтры, эквалайзеры.

Рис. 1. Базовые элементы замкнутой петли ФАПЧ.

Система ФАПЧ в своей основе состоит из умножителя (фазового детектора), петлевого фильтра и генератора управляемого напряжением (ГУН) (рисунок 1) и представляет собой, частный случай схемы автоматического регулирования. [3] Адаптивный эквалайзер представляет собой линейный фильтр с изменяемыми коэффициентами. В общем случае, выходной сигнал фильтра определяется соотношением[4]:

(2)

Где - весовые коэффициенты фильтра; - комплексные отсчеты сигнала на входе приемника. «Н» - эрмитово сопряжение.

Результаты моделирования

В данной работе, на основе имитационного моделирования, предлагается оценить эффективность работы различных систем частотно-фазовой синхронизации, в зависимости от: частотного рассогласования в канале связи, наличия помехи в виде аддитивного белого гаусовского шума (AWGN канал) и наличия эффекта многолучевого распространения передаваемого сигнала, вызванного замираниями в канале связи (модель Ваттерсона для имитационного моделирования ионосферных радиоканалов ).

Модель Ватерсона для имитационного моделирования ионосферных радиоканалов, показала свою эффективность в ходе стендовых испытаний существующих модемов (модулей повышения помехоустойчивости) и описана в рекомендации для использования американских стандартов связи ITU-R F.1487 [5].

Для оценки эффективности работы систем частотно-фазовой синхронизации в условиях многолучевого распространения передаваемого сигнала предлагаются следующие варианты схем (рисунок 2):

Вариант 1. Классический контур ФАПЧ с пропорционально-интегральным фильтром второго порядка и модифицированной версией фазового детектора Костаса.

Вариант 2. Классический контур ФАПЧ с пропорционально-интегральным фильтром второго порядка, модифицированной версией фазового детектора Костаса и последовательно соединенного адаптивного эквалайзера.

Вариант 3. Контур ФАПЧ с пропорционально-интегральным фильтром второго порядка, модифицированной версией фазового детектора Костаса и непосредственно включенного в контур адаптивного эквалайзера.

Вариант 4. Контур ФАПЧ с пропорционально-интегральным фильтром второго порядка, фазовым детектором, работающем в частотной области, методом сравнения фаз на входе и выходе адаптивного эквалайзера (Cross Spectrum Correlation), непосредственно включенного в контур ФАПЧ.

В качестве, адаптивного эквалайзера, используется модель RLS эквалайзера с обратной связью по решению, состоящего из 20 прямых ветвей и 10 обратных. Выбор данной конкретной схемой объясняется тем, что данный тип реализации адаптивного эквалайзера показал наилучшие характеристики по компенсации искажений (выравниванию частотной характеристики канала), вызванными эффектом многолучевого распространения сигнала в модели Ваттерсона [6].

Использование контура ФАПЧ второго порядка, объясняется простотой реализации, наибольшей устойчивостью, под воздействием помех различной природы и возможностью его расчета известными методами.

Моделирование проводилась для скорости передачи информации - 9600 бит/с; в качестве сигнала приема использовался фазоманипулированный QPSK сигнал, обучение адаптивного эквалайзера проводилось непрерывно, а канала связи с замираниями характеризовался наличием двух лучей распространения с задержкой в 0,5 сек. и смещением частот 0.1 Гц. (что соответствует модели канала Ваттерсона для средних широт). В качестве параметра оценки качества синхронизации использовалась вероятность битовой ошибки в установившемся режиме.

Для вышеописанных схем было проведено две серии численных экспериментов: первая серия характеризует качество синхронизации в зависимости от частотного рассогласования в канале связи (область захвата контура) и отношения сигнал/шум (ОСШ) на входе схемы; вторая серия характеризует качество синхронизации при наличии замираний в канале связи.

Рис.2. Варианты схем частотно-фазовой синхронизации

Результаты работы для первого варианты хорошо известны и описаны [1,7]. Контур ФАПЧ второго порядка обеспечивает качественную характеристику приема при воздействии аддитивного белого шума, а область захвата контура ограничивается лишь требованиями по скорости установления. При этом, существенным недостатком является невозможность функционирования схемы при возникновении замираний в канале связи.

Результаты моделирования вариантов 2 и 3 для первой серии экспериментов представлены на рисунке 3.

Рис. 3. Зависимость вероятности битовой ошибки в установившемся режиме, от частотного рассогласования в канале связи при различных отношениях сигнал/шум

Таким образом, для варианта 2 (схема с последовательным включением на рисунке 3) мы наблюдаем стабильную работу контура при частотном рассогласовании до 9 Гц и ОСШ>20. Помимо этого вследствие того, что адаптивный эквалайзер включен в схему отдельно от контура ФАПЧ, наблюдается эффект «обратной работы», заключающийся в неопределенности фазы при компенсации частотного рассогласования.

Лучший результат показывает вариант 3 (непосредственное включение адаптивного эквалайзера в контур ФАПЧ). Обеспечивается стабильная работа контура при частотном рассогласовании до 27 Гц, при этом решена проблема варианта 2 (отсутствие синхронизации при ОСШ<10). Между тем, стоит отметить что при низких значениях ОСШ (ОСШ<3) появляются срывы синхронизации имеющие вероятностный характер.

Особенностью варианта № 4 является возможность компенсации значительного частотного рассогласования (до 100 Гц и более) и работы при низких ОСШ. Недостатком данного варианта является требование к точной настройки коэффициентов пропорционально-интегрирующего фильтра, которые являются оптимальными для конкретного частотного рассогласования.

Рис. 4. Зависимость вероятности битовой ошибки в установившемся режиме, от отношения сигнал шум при наличии в канале связи замираний.

Результаты моделирования вариантов 2, 3 и 4 для второй серии экспериментов представлены на рисунке 4. Из результатов следует, что варианты 2 и 3 способны обеспечить работу системы синхронизации при воздействии ионосферных замираний при ОСШ>20. При дальнейшем увеличении ОСШ происходит резкий срыв синхронизации. Зависимость для варианта 4 качественно отличается тем что, при уменьшении ОСШ происходит постепенное ухудшение характеристики приема, при этом отсутствуют срывы синхронизации, характерные для вариантов 2 и 3.

Заключение

Таким образом вариант 4 показывает наилучшие характеристики качества синхронизации, обеспечивая сходимость контура при значительных частотных рассогласованиях в канале связи и возможность компенсации эффекта многолучевого распространения сигнала (для модели Ваттерсона). При этом существенным недостатком является жесткое требование к адаптивной подстройки коэффициентов пропорционально-интегрирующего фильтра в зависимости от динамики изменения ухода частоты в канале.

Литература

1. Галкин В. А. Цифровая мобильная связь: Учебное пособие для вузов. - М:. Горячая линия -Телеком, 2012. - 592 с.

2. Феер Д. К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра. - М.: Радио и связь, 2000. - 520 с.

3. Проксис Дж. Цифровая связь. - М.: Радио и связь, 2000. - 800 с.

4. Джиган В.И.Адаптивная фильтрация сигналов: теория и алгоритмы. - М.:Техносфера, 2013. - 528 с.

5. Recomemendation ITU-R F.1487 Testing of HF modems with bandwidths of up to about 12 kHz using ionosheric channel simulators

6. Оценка и границы применимости адаптивных LMS и RMS эквалайзеров для протокола типа MIL-STD-188-110A [Текст] /Д. В. Мокринский, Д. А. Лебедев// Новые информационные технологии в системах связи и управления: Тр. XVII Рос. НТК / М-во промышленности и торговли Рос. Федерации, Гос. Корпорация «Ростех», АО «ОПК», ОАО «Концерн радиостроения «Вега», АО «Калужский НИИ телемеханических устройств». - Калуга: Изд. ООО «Ноосфера», 2018. - С. 34-38.

7. Моделирование и исследование замкнутой системы ФАПЧ для канала с аддитивным белым гаусовским шумом [Текст] / Д. В. Мокринский, Л. Н. Косарева, А. А. Жарнов, В. В. Черкасов // Междунар. конф. «Радиоэлектронные устройства и системы для инфокоммуникационных технологий» (REDS-2018) ; Сб. докладов / Рос. науч.-техн. общ. радиотехн., электрон. и связи им. А.С. Попова. - М. : ООО «БРИС-М», 2018. - Вып. LXXIII. - С. 186-191.

Размещено на Allbest.ru