Характеристики цифровой системы фазовой автоподстройки частоты
Системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) широко используются в технике связи из-за их широких возможностей по обеспечению битовой синхронизации и демодуляции сигналов с ЧМ и ФМ. При этом цифровые системы ФАПЧ имеют повышенную надёжность и меньшую стоимость в сравнении с аналоговыми [1].Цифровые системы ФАПЧ, в которых используется фазовый детектор с двоичным квантованием и дискретная подстройка фазы, применяются для детектирования двоичных сигналов или для подавления дрожания фазы (phase jitter) в системах передачи дискретной информации. Ширина полосы захвата и возможность подавления дрожания фазы являются взаимоисключающими характеристиками и, кроме того, возможность подавления дрожания фазы быстро уменьшается с ростом отклонения частоты входного сигнала от частоты несинхронизированной петли ФАПЧ. Для улучшения этих характеристик в цифровой системе ФАПЧ может быть использован новый тип последовательных фильтров, который рассматривается в данной работе.
Введение
Цифровые системы ФАПЧ в настоящее время широко используются в технике связи и управления, радиоавтоматике, радиоизмерительных комплексах и других системах авторегулирования. В ряде работ исследованы аналоговые системы ФАПЧ с элементами цифровой схемотехники [2], полностью цифровые системы ФАПЧ применительно к детектированию ЧМ, а также для дискретной подстройки фазы в системах передачи с ИКМ [3] и для синхронизации в цифровых сетях.
Основная проблема цифровых систем ФАПЧ с двоичным выходом фазового детектора отмечена в [4], где исследовалась простая петля с двоичным выходом фазового компаратора и фильтр случайных блужданий (ФСБ). Проблема состоит в невозможности совместить достаточную ширину полосы захвата с возможностью подавления дрожания фазы. Улучшение в характеристиках подавления дрожания фазы приводит к сужению полосы захвата. Предлагаемая в данной работе цифровая система ФАПЧ отчасти свободна от этой проблемы за счёт использования петлевого фильтра нового типа. Характеристики системы ФАПЧ с таким фильтром проверены в ходе теоретических исследований, экспериментально и при компьютерном моделировании.
Разработанная цифровая система ФАПЧ обладает следующими свойствами:
широкая полоса захвата при одновременно сильном подавлении дрожания фазы;
хорошее подавление дрожания фазы при наличии сдвига по частоте у опорного генератора или отклонения по частоте у входного сигнала;
малое время захвата.
Работа цифровой системы ФАПЧ в режиме битового синхронизатора
В состав рассматриваемой цифровой системы ФАПЧ входят: фазовый компаратор с двоичным выходом, последовательный петлевой фильтр, устройство управления фазой, опорный генератор и делитель. На рис. 1 представлена структурная схема цифровой системы ФАПЧ, а на рис. 2 и 3 - временные диаграммы в её характерных точках - на выходе фазового детектора и на выходе фильтра. Предполагается, что на вход системы подаётся сигнал прямоугольной формы (рис. 2) со средним значением частоты, равным 1/Tr, в котором фаза меняется по случайному закону с известным распределением. Фазовый компаратор определяет отставание или опережение выходного сигнала относительно входного. Двоичные сигналы опережения-отставания поступают на последовательный петлевой фильтр. Назначение петлевого фильтра - преобразовать выходные сигналы фазового компаратора в сигналы "положительный (или отрицательный) сдвиг", которые являются более точными и достоверными, чем сигналы "опережение" и "отставание". Петлевой фильтр формирует сигналы "положительный (или отрицательный) сдвиг", осуществляя статистическую обработку сигналов "опережение" и "отставание". В устройстве управления фазой в случае появления сигнала "положительный сдвиг" к последовательности импульсов, вырабатываемых опорным генератором, добавляется один импульс, в случае же возникновения сигнала "отрицательный сдвиг", из последовательности вычитается один импульс. Далее преобразованная последовательность импульсов делится на целое число L так, что выходной сигнал делителя подстроен по фазе с шагом подстройки Tc с или 2 /L рад. Таким образом, цифровая система ФАПЧ обеспечивает равенство фаз выходного и входного сигналов.
Рисунок
1. Блок-схема полностью цифровой системы
ФАПЧ
Рисунок
2. Сигналы на выходе фазового компаратора
Рисунок
3. Сигналы на выходах (а, b) и выходах (A,
B) последовательного петлевого фильтра