Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ЦИФРОВОЙ СВЯЗИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Изобретение относится к области электротехники, в частности к радиоэлектронике и компьютерным архитектурам, и может быть использовано в приемо-передающей аппаратуре измерительной техники для аналогового и цифрового моделирования систем цифровой связи и проектирования различных типов систем на основе схемы Костаса, включая нетрадиционные классы сигналов, что позволяет устранять возникающие помехи, в т.ч. и от нетиповых классов сигналов, и определять оптимальные рабочие параметры систем в широком диапазоне частот, требуемом для успешной работы сложных радиоэлектронных устройств, многопроцессорных и многоядерных компьютерных систем, систем беспроводной связи, мобильной сотовой связи, систем спутникового позиционирования и беспроводного управления медицинскими имплантатами.

Известно, что тестирование реальной модели является чрезвычайно трудоемким процессом и не может гарантировать правильность работы системы при всевозможных входных сигналах и всевозможных внутренних состояниях основных блоков генератора, поэтому такой способ достаточно редко применяется на практике.

Известно, что наиболее распространенным способом, используемым при проектировании различных типов цифровой связи на основе схемы Костаса для определения параметров системы, является способ моделирования и анализ созданных моделей фазовой автоподстройки в частотно-фазовом пространстве [1-2] с применением линейного или нелинейного анализа стационарного режима. Для построения моделей системы в частотно-фазовом пространстве необходимо [3] предварительно определить характеристику фазового детектора (ФД), которая зависит от класса входных сигналов. Таким образом, каждому классу сигналов соответствует своя модель системы в частотно-фазовом пространстве (все эти модели отличаются разной характеристикой ФД). Для классической схемы Костаса с фазовым детектором-перемножителем сигналов и для класса синусоидальных и импульсных классов сигналов такие модели построены и широко используются для моделирования при проектировании классических систем цифровой связи [4]. Однако использование указанных моделей из-за зависимости конкретной модели от характеристики фазового детектора и от класса рассматриваемых сигналов, не дает возможности проводить моделирование поведения систем цифровой связи для нетиповых классов сигналов, возникающих при работе, например, со сложными радиоэлектронными устройствами, системами беспроводной связи и т.п., и не позволяет проводить анализ поведения систем на основе схемы Костаса при возникновении помех и отклонении сигнала от заданного класса, так как в этом случае требуется вычисление соответствующей поступающему сигналу характеристики фазового детектора и соответствующей новой модели системы.

Известен способ инверсно-квадратурного восстановления несущей частоты фазоманипулированных сигналов [5], работа которого основана на приеме и разветвлении эталонного сигнала, генерации перестраиваемого по частоте синусоидального сигнала, формировании частотно-инверсного сигнала генерируемым синусоидальным сигналом, перемножении ответвленного и частотно-инверсного ФМ сигналов, интегрировании (накопление) результата перемножения и формировании сигнала управления частотой генерируемого сигнала в соответствии с результатами интегрирования. Однако известная схема имеет достаточно узкий диапазон рабочих характеристик сигналов.

Известен способ определения рабочих параметров систем цифровой связи [6], наиболее близкий к заявленному изобретению (способу определения рабочих параметров систем цифровой связи), принятый в качестве прототипа для изобретения. Сущность известного способа заключается в том, что задают два высокостабильных по частоте колебания сигнала, один из которых подстраиваемый, а другой эталонный; диапазон частот выбирают от 20 кГц до 20 ГГц; форму эталонного сигнала задают ограниченной, а форму подстраиваемого сигнала задают синусоидальной, после чего определяют амплитуды спектра эталонного сигнала, формируют дополнительный сигнал от эталонного и подстраиваемого сигналов, проводят низкочастотную фильтрацию дополнительного сигнала, по которому корректируют подстраиваемый сигнал и по соотношению которого и амплитуд спектра эталонного сигнала определяют рабочие параметры из соотношения:

где

θ - разность фаз сигналов, , , - амплитуды сигналов.

Недостатками прототипа являются сложность и трудоемкость способа за счет необходимости использования одновременно разных и сложных подходов к определению рабочих характеристик фазового детектора, узкий диапазон рабочих характеристик и ограниченный класс сигналов за счет использования гармонического сигнала в качестве подстраиваемого сигнала, а также не достаточно высокая информативность и стабильность системы

Технический результат, достигаемый новым решением, является общим для всей группы объектов заявленного изобретения (способа для определения рабочих параметров систем цифровой связи и устройства для его реализации) и состоит в повышении достоверности, устойчивости и стабильности, в упрощении и снижении трудоемкости, расширении диапазона рабочих характеристик и класса сигналов системы, расширении области применимости устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения рабочей системы цифровой связи, в котором определяют не менее двух амплитуд спектра подстраиваемого сигнала, скорректированного после низкочастотной фильтрации, формируют два дополнительных сигнала от амплитуд сигнала скорректированного сигнала и от амплитуд сигнала эталонного сигнала из соотношения:

от них определяем амплитуды из соотношений:

,

,

,

,

а в соотношении, по которому определяют рабочие параметры,

берут дополнительные сигналы.

Известен синтезатор частоты с пониженным уровнем фазовых шумов [7], суть которого в уменьшении фазовых шумов при сохранении диапазона перестройки частоты. Однако известное устройство имеет достаточно узкий диапазон перестройки частот.

Известно устройство для цифровой связи [8], основанное на формировании связи блоков, первым из которых является делитель частоты, уменьшении его девиации фазы и формировании колебания несущей частоты, жестко синфазное с модулированным сигналом. Однако известная схема имеет достаточно узкий диапазон рабочих характеристик сигналов. Известно устройство для определения рабочих параметров систем фазовой автоподстройки частоты [9], наиболее близкое к заявленному изобретению (устройству для определения рабочих параметров систем цифровой связи), принятое в качестве прототипа для изобретения. Сущность известного устройства заключается в том, что для определения рабочих параметров фазовой автоподстройки частоты генератора, содержащее эталонный генератор высокостабильного по частоте колебания, последовательно соединенные между собой фазовый детектор, усилитель постоянного тока, фильтр нижних частот, который подключен к управляющему входу подстраиваемого генератора, между эталонным генератором и фазовым детектором установлен анализатор спектра, а между подстраиваемым генератором и фазовым детектором установлен анализатор спектра, в устройство введен блок определения характеристики фазового детектора, к входам которого подключены выходы каждого анализатора спектра, к выходу блока определения характеристики фазового детектора подключен регистратор, фиксирующий рабочие параметры исследуемой системы фазовой автоподстройки частоты генератора.

Указанный технический результат достигается новым устройством для определения рабочих параметров систем цифровой связи, содержащем эталонный генератор высокостабильного по частоте колебания, последовательно соединенные между собой фазовый детектор, усилитель постоянного тока, фильтр нижних частот и расположенный через управляющий вход подстраиваемый генератор, в котором между эталонным генератором и фазовым детектором дополнительно установлен анализатор спектра, а между подстраиваемым генератором и фазовым детектором установлен анализатор спектра, установлен блок определения характеристики фазового детектора, к входам которого подключены выходы каждого из анализаторов спектра, к выходу блока определения характеристики фазового детектора подключен регистратор, фиксирующий рабочие параметры исследуемой системы фазовой автоподстройки частоты генератора, в соответствии с заявленным изобретением подстраиваемый генератор высокостабильного по частоте колебания имеет два когерентных выхода, между подстраиваемым генератором и фазовым детектором дополнительно введен перемножитель, один из входов которого соединен с первым выходом подстраиваемого генератора, второй соединен с выходом эталонного генератора, а выход соединен со входом фазового детектора, в схему введен дополнительный перемножитель, один вход которого соединен со вторым выходом подстраиваемого генератора, второй вход соединен с выходом эталонного генератора, а выход соединен со входом фазового детектора.

Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что в заявленном изобретении между анализатором спектра и эталонным генератором дополнительно установлен перемножитель, входы которого соединены с выходом эталонного генератора, а выход соединен со входом анализатора спектра.

При этом используют генераторы сигналов специальной формы до 20МГц или генератор ВЧ до 20 ГГц [9].

Помимо этого указанный технический результат достигается тем, что подстраиваемый и эталонный генераторы выбраны с радиочастотным диапазоном 10 кГц-10 ГГц.

В основу заявленного изобретения поставлена техническая задача расширения функциональных возможностей, повышения информативности и достоверности полученных результатов, возможности оптимизации проектирования системы цифровой связи и обеспечения качества при производстве системы на основе схемы Костаса.

Сущность заявленного способа поясняется Фиг.1 и Фиг.2, на которых представлены функциональные зависимости разных форм сигналов от времени, а на Фиг.3 представлен пример характеристики системы, полученной для данных форм сигналов.

В заявленном способе один из двух задаваемых высокостабильных по частоте колебания сигналов выбирают эталонным с формой зуба пилы, который на Фиг.1 изображен как функция зависимости от времени, где «Т» - период сигнала. Другой из задаваемых высокостабильных по частоте колебания сигналов выбирают подстраиваемым, с треугольной формой, со своим собственным периодом, который на Фиг.2 изображен как функция зависимости от времени, где «Т» - период сигнала. Рабочие параметры в новом способе определяют путем генерирования дополнительного сигнала синусоидальной формы со сдвинутой на четверть периода фазой и с амплитудой, определенной как одна восьмая произведения амплитуды эталонного сигнала и амплитуды первой гармоники импульсного сигнала, который на Фиг.3 изображен как функциональная зависимость от времени, где «Т» - период сигнала.

Примеры реализации способа определения рабочих параметров системы цифровой связи.

В качестве примеров приведены результаты конкретных исследований заявленного изобретения, проведенные на лабораторной базе Санкт-Петербургского государственного университета, проведенные в среде моделирования Matlab Simulink.

Пример 1.

Было проведено моделирование рабочих параметров системы для цифровой связи на основе схемы Костаса для двух синусоидальных сигналов, которые были взяты в диапазоне частот 20 кГц и 20.1 кГц со спектрами, которые на Фиг.2 изображены в виде зависимости амплитуд от частот с конкретными параметрами:

- частота эталонного сигнала равна 20 кГц,

- частота подстраиваемого сигнала равна 20.1 кГц,

А_1 - амплитуда подстраиваемого сигнала равна 2дБ,

А_2 - амплитуда эталонного сигнала равна 1 дБ.

В модели с такими параметрами определили два дополнительных сигнала, равные половине разности двух синусоидальных сигналов с частотами 40 кГц и 0.1 кГц и амплитудами, равными произведению амплитуд эталонного и подстраиваемого сигналов с когерентными фазами, т.е. 2 дБ, путем перемножения подстраиваемого и эталонного сигналов, определили третий дополнительный полигармонический сигнал с амплитудой, равной половине произведения амплитуд, и гармониками с частотами 80 кГц, 40.1 кГц, 39.9 КГц и 0.2 кГц. Для определения рабочих параметров системы проводили низкочастотную фильтрацию полученного дополнительного сигнала. В результате был получен косинусоидальный сигнал с частотой 0.2 кГц и амплитудой, равной одной восьмой произведения амплитуд исходных сигналов. По результатам низкочастотной фильтрации получены величины (амплитуда и частота сигнала, равные, соответственно, 0.25 дБ и 0.2 кГц), которые являются рабочими параметрами системы цифровой связи на основе схемы Костаса фазового детектора.

Универсальность предлагаемой модели в частотно-фазовом пространстве основана на реализации изменения характеристики фазового детектора в зависимости от поступающих на вход фазового детектора сигналов по оригинальной формуле, представленной в заявке. Для этого, как видно из заявленного способа, определяется спектральное представление эталонного и скорректированного сигналов и по полученным коэффициентам вычисляется характеристика фазового детектора

Как показывают результаты исследования примера 1, использование единого способа задания характеристики фазового детектора позволяет опустить его повторное вычисление, что существенно снижает трудоемкость.

Способ определения характеристики фазового детектора-перемножителя сигналов опорного и управляемого генераторов отличается измерением зависимости мгновенных значений амплитуды периодических сигналов опорного v₁(t) и управляемого генераторов v₂(t) частотой более 1 МГц с интервалом времени между двумя последовательными измерениями не менее 10^-7.

Пример 2.

Заявленный способ поясняется также конкретным примером использования устройства для реализации этого способа, схема которого представлена на Фиг.4.

Устройство содержит эталонный генератор высокостабильного по частоте колебания (1), последовательно соединенные между собой фазовый детектор (2), усилитель постоянного тока (3), фильтр нижних частот (4) и через управляющий вход подстраиваемый генератор (5), между подстраиваемым генератором (5) и фазовым детектором (2) установлен анализатор спектра (6), а между эталонным генератором и фазовым детектором установлен анализатор спектра (7), устройство также содержит блок определения характеристики фазового детектора (8), к входам которого подключены выходы каждого анализатора спектра (6) и (7), к выходу блока определения характеристики фазового детектора (8) подключен регистратор (9), между эталонным и подстраиваемым генератором установлены фазовые детекторы перемножители (10, 11), выходы которых соединены со входами фазового детектора (2), между перемножителями (10, 11) и анализаторами спектра установлены перемножители (13, 14), входы одного из них (13) соединены с выходом эталонного генератора, а входы второго (14) с двумя когерентными выходами подстраиваемого генератора.

Работа заявленного устройства осуществляется следующим образом. Эталонный и подстраиваемый генераторы высокостабильного по частоте колебания (1 и 2) сигналов генерируют высокочастотный сигнал в диапазоне (10 кГц-10 ГГц), который имеет форму, описываемую следующим соотношением:

где a _i и b_j соответствуют амплитудам спектров сигналов и зависят от конкретной реализации генераторов,

θ₁ - фаза эталонного сигнала,

θ₂ - фаза подстраиваемого сигнала.

Сигналы эталонного и подстраиваемого генераторов поступают на вход фазовых детекторов (10, 11), которые выполнены как перемножители, например, On Semiconductor МС1491, на выходе которых получаем сигналы, удовлетворяющие следующему соотношению:

f(t)=f₁(t)f₂(t),

где f(t) - выход блока.

Сигналы с выходов блоков (10, 11) поступают на вход фазового детектора (2), выполненного как перемножитель, на выходе которого получаем сигнал, удовлетворяющий тому же соотношению:

f(t)=f₁(t)f₂(t),

где f(t) - выход блока.

Сигнал с выхода фазового детектора (2) поступает на вход последовательно соединенных усилителя постоянного тока (3), фильтра нижних частот (4) и через управляющий вход подстраиваемого генератора (5). Между подстраиваемым генератором (5) и фазовым детектором (11), также как и между эталонным генератором (1) и фазовым детектором (10), установлены перемножители (13) и (14). Входы перемножителя (13) соединены с выходом эталонного генератора, а входы перемножителя (14) - с когерентными выходами подстраиваемого генератора. Перемножители (13) и (14) последовательно соединены с анализаторами спектра (6) и (7), которые по входным сигналам f₁(t) и f₂(t) позволяют определить М амплитуд спектров сигналов и их фазы (а _i, b_j, θ₁, θ₂). Конкретное значение М определяется реализацией анализаторов, увеличение этого числа обеспечивает увеличение точности конечного результата. Полученные результаты с выходов анализаторов (6 и 7) поступают на вход арифметического контроллера или ПЭВМ, где производится обработка поступающей информации в соответствии со следующим соотношением:

где

a _l , b_l - амплитуды спектров сигнала,

θ₁, θ₂ - фазы сигналов.

Регистратор, вход которого подключен к выходу арифметического контроллера, регистрирует основные рабочие параметры системы, чем и достигается технический результат, который состоит в упрощении и снижении трудоемкости, расширении диапазона рабочих характеристик и класса сигналов системы, повышении достоверности, устойчивости и стабильности работы устройства.

Ниже приведен пример конкретной реализации устройства для определения рабочих параметров системы цифровой связи на основе схемы Костаса, подтверждающий работоспособность и достижение указанного выше технического результата заявленным способом.

Конкретный пример работы устройства для определения рабочих параметров системы состоит в следующем. Исходим из посылки, что эталонный и подстраиваемый генераторы генерируют сигналы типа зуба пилы (f₁(ω₁t), f₂(ω₂t)) и f₂(ω₂(t)-90°)), где частота эталонного генератора ω₁=10 кГц, а частота подстраиваемого генератора (ω₂) меняется в зависимости от управляющего входа в пределах от 9 кГц до 11 кГц. Исходя из значения частоты подстраиваемого генератора, равной 10 кГц, определяют два когерентных сигнала типа зуб пилы f₂(ω₂t)) и f₂(ω₂(t)-90°). Сигналы от генераторов поступают на соответствующие входы фазовых детекторов, выполненных как перемножители (10, 11), на выходе которых получают сигналы следующего вида:

f₃(t)=f₁(ω₁t)f₂(ω₂(t)t),

f₄(t)=f₁(ω₁t)f₂(ω₂(t)t-90°).

Далее полученные сигналы поступают на вход фазового детектора (2), последовательно соединенные усилитель и низкочастотный фильтр, образуя управляющий сигнал. Кроме того, сигналы генераторов поступают на входы перемножителей (13, 14), последовательно соединенных с анализаторами спектров (6, 7). Сигнал на выходе перемножителя (13) имеет следующие амплитудные характеристики:

где n - номер гармоники сигнала. Сигнал на выходе перемножителя (14) имеет следующие амплитудные характеристики:

, при n, кратном четырем,

, при n, кратном двум, но не кратном четырем,

, ,

если n дает 1 в остатке при делении на 4,

, , если n дает 3 в остатке при делении на 4,

где n - номер гармоники сигнала.

Исходя из посылки определения анализатором только первой гармоники имеем только одно значение с точностью, не меньшей, чем точность до третьего знака после запятой, т.е. а ₁=0.116, b₁=-0.116 для анализатора (6) и b₁=0.405 для анализатора (7). Полученные значения амплитуд поступают на вход арифметического контроллера. Общее число амплитуд, обнаруженных спектральными анализаторами, М=1. Таким образом, на выходе арифметического контроллера получены значения характеристик системы ФАПЧ при различных значениях частот подстраиваемого сигнала. Например, разность фаз сигналов равна:

φ(θ₁-θ₂)=-0.023cos(θ_1-θ₂)-0.023sin(θ₁-θ₂).

Так как фазы подстраиваемого и эталонного генератора совпадают, то получаем значение характеристики фазового детектора, равное -0,023, которое и фиксируется регистратором.

Результаты проведенных исследований, изложенных в примерах 1 и 2, моделирующих конкретные условия реализации заявленных способа и устройства, показали работоспособность, достоверность и универсальность изобретения. Достижение технического результата стало возможным также за счет учета обнаруженной авторами закономерности универсальной зависимости характеристики фазового детектора от амплитуд спектров эталонного и подстраиваемого сигналов (импульсного и синусоидального), что на апробировании многих моделей подтвердило универсальность заявленного способа для всех типов сложных и нетрадиционных форм высокочастотных сигналов полигармонической структуры по сравнению с известным способом-прототипом.

К значимому техническому результату относится также существенное расширение области применений, в частности увеличение числа типов различных форм сигнала и повышение универсальности вычислений при разных типах упомянутого сигнала. Это достигается путем введения в известный способ дополнительной процедуры определения амплитуд ПС (подстраиваемый сигнал), имеющих более сложную форму, чем известные в прототипе.

Технико-экономическая эффективность заявленного изобретения в целом состоит в расширении диапазона рабочих характеристик сигналов подстраиваемого генератора за счет представления сигналов в виде ряда Фурье; повышении устойчивости (стабильности) работы устройства за счет учета дополнительных гармоник подстраиваемого сигнала и их последующего спектрального анализа; расширении функциональных возможностей и связанной с этим новой появившейся возможности применять способ для решения более широкого круга сложных проблем, что делает изобретение универсальным для решения задач вычисления диапазонов захвата и удержания частоты систем цифровой связи за счет обнаруженной закономерности в представленной зависимости характеристики фазового детектора от амплитуд спектров эталонного и подстраиваемого сигналов в явном виде; упрощении и снижении трудоемкости за счет учета указанной закономерности; повышении информативности и достоверности полученных результатов за счет учета дополнительных гармоник в спектре подстраиваемых сигналов; возможности оптимизации проектирования системы цифровой связи на основе схемы Костаса и в обеспечении качества при производстве системы цифровой связи за счет выявления и задания сигналов, рабочие параметры которых обеспечивают наиболее близкие к оптимальным, благодаря возможности задания широкого диапазона сигналов.

Заявленное изобретение позволяет успешно решать задачи, связанные с моделированием системы цифровой связи, построением более совершенных и более сложных систем на основе схемы Костаса, современной мобильной связи, передачей информации беспроводным способом, модуляцией нетиповых классов сигналов, в сложных радиоэлектронных устройствах, а также задачи, связанные с определением характеристик фазовых детекторов, являющихся неотъемлемой частью системы глобального позиционирования, спутниковой навигации.

Используемые источники информации

1. US Patent No. 7,613, 268 В2, Int. Kl.H04B 1/00.

2. US Patent Application Serial No. 2004/0208274 A1, Int. Kl.H04B 1/26.

3. Abramovitch, D. Phase-Locked Loops: A control Centric Tutorial, Proceedings of the American Control Conference 2002. vol.1, pp.1-15 (пленарный доклад).

4. Витерби Э.Д. Принципы когерентной связи. 1966. Шахгильдян В.В., Ляховкин А.А. Системы фазовой автоподстройки частоты. - М.: Связь, 1972.

5. Патент РФ №2187901, МПК H04L 27/22.

6. N.V.Kuznetsov, G.A.Leonov, М.V.Yuldashev, R.V.Yuldashev. Nonlinear Analysis of Costas Loop Circuit. In Proceedings of the 9th International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics, 2012, pp.557-560 (прототип).

7. Патент РФ №2 370 885 C1, МПК H03L 7/087.

8. Патент РФ №2 113 062, МПК H04L 27/227.

9. Патент РФ №2 449 463 C1, МПК H03D 13/00.

Используемые термины

Перемножитель двух сигналов: электронное устройство с двумя входами и одним выходом, генерирующее на выходе сигнал (напряжение), равный произведению сигналов (напряжений), поступающих на два входа.

Фазовый детектор (ФД): в электронике устройство, сравнивающее фазы двух входных сигналов. Обычно один из них генерируется генератором сигнала, управляемым напряжением, а второй берется из внешнего источника. ФД обычно имеет один выходной сигнал, управляющий стоящей за ним схемой фазовой автоподстройки (задача схемы фазовой автоподстройки - сделать фазы входных сигналов одинаковыми), другими словами, фазовым детектором называют устройство, предназначенное для создания сигнала, пропорционального разности фаз между генерируемым сигналом и эталонным сигналом. (Существуют различные электронные реализации ФД, например, перемножитель двух сигналов, XOR и др.)

Характеристика фазового детектора: работа фазового детектора характеризуется графиком зависимости фазы выходного сигнала от разности фаз входных сигналов, которая называется характеристикой фазового детектора. Характеристика фазового детектора вычисляется в зависимости от типа входных сигналов (для наиболее употребительных реализаций фазовых детекторов, например перемножитель двух сигналов, XOR и др., и типовых сигналов, например два синусоидальных сигнала, два импульсных сигнала, характеристики фазовых детекторов вычислены и хорошо известны).