ФАЗОВЫЙ ДЕТЕКТОР ТАКТА Российский патент 1998 года по МПК H04L27/22 

Изобретение касается фазового детектора такта для синхронной передачи данных в приемнике ВЧ-системы связи, в которой для получения фазового критерия такта при каждом символе из принимаемого сигнала образуют два соседних главных значения отсчета, а также дополнительное, лежащее посредине между этими двумя значениями промежуточное значение отсчета.

В приемнике для синхронной передачи данных требуется схема синхронизации такта, чтобы выводить подходящие моменты (взятия) отсчета для принимаемого сигнала. Соответствующая модель системы представлена в качестве примера для амплитудно-импульсно-модулированной (АИМ-) системы на фиг.1. При этом на стороне передачи поставляемый источником данных 1 сигнал подвергают обозначенному 2 формированию импульсов S_s(f). Канал передачи 3 охарактеризован своей передаточной функцией S_k(f) и аддитивным белым шумом Гаусса с плотностью мощности шумов N_o. На входе приемника расположен формирующий импульсы фильтр S_E(f) 5, после которого через дискретизатор включен блок принятия решения 6. В последующем на стороне приема применяют основной импульс g(t) o- S_S(f)•S_E(f)•T, а также принимаемый импульс h(t) o S_S(f)•S_K(f)•S_E(f)•T, которые получаются из соответствующего обратного преобразования Фурье. После чего к моментам времени t = τ + iT с τ в качестве фазы такта производят дискретизацию принимаемого сигнала, после которой 1 следует принятие решения.

Возможность для отведения подходящего тактового сигнала состоит в том, что непосредственно из принимаемого сигнала через нелинейные операции (например, квадрирование) получают основное колебание тактовой частоты, точки перехода через нуль которого задают моменты (взятия) отсчета. Появляющееся при этом фазовое дрожание такта может быть уменьшено с помощью узкополосного фильтрования.

Другой возможностью является получение из уже дискретизированного принимаемого сигнала через нелинейные операции непосредственно критерия о фазовом отклонении такта, который через фильтр с регулируемой обратной связью 8 воздействует на управляемый напряжением осциллятор (VCO) 7 контура фазового регулирования, который со своей стороны дает в распоряжение период дискретизации. Пример этого показан на фиг. 2. Чтобы поддерживать возможно малыми воздействия допусков, температуры, старения и т. д., реализованный в цифровой технике фазовый критерий такта является преимуществом.

Подобный фазовый детектор такта описан в статье Ф. M. Гарднера "A BPSK/QPSK Timing-Error Detector for Sampled Receivers", журнал IEEE Transactions on Communication, COМ-34, май 1986, стр. 423-429. Этот фазовый детектор еще будет пояснен позднее.

При передаче многоступенчатых сигналов данных требование к остающемуся после фильтрования фазовому дрожанию такта при увеличении числа ступеней модуляции становится все больше. При этом все больше уменьшать ширину полосы фильтра в большинстве случаев не является возможным, так как схема синхронизации такта должна следовать за канально обусловленными изменяющимися во времени изменениями оптимального момента (взятия) отсчета.

Фазовое дрожание такта состоит из множества составляющих, а именно из уже имеющегося на стороне передачи дрожания, дрожания, создаваемого за счет шумов и помех на стороне приема, а также систематического фазового дрожания такта, которое создается самими принимаемыми последовательностями данных (дрожание, зависящее от повторяющейся структуры цифрового сигнала - Patternjitter). Это систематическое фазовое дрожание такта может уменьшаться путем подходящего предварительного фильтрования S_p(f) принимаемого сигнала перед выполнением нелинейной операции. Таким образом динамические характеристики (tracking) схемы синхронизации такта могут оставаться неизменными и несмотря на это уменьшается составляющая дрожания. Подходящее предварительное фильтрование при цифровой реализации в общем означает значительные затраты на фильтры.

В статье: Компенсация систематического дрожания при получении такта из цифровых сигналов, авторов К. Тредле, E. Лутц, и Хубер, Р. Томас, появившейся в Erequenz, том 35, сентябрь 1981, стр. 236-242, указана возможность для компенсации обуславливающих систематическое фазовое дрожание такта составляющих сигнала. Подобный способ может применяться при указанном Ф. М. Гарднером фазовом критерии такта, что в последующем поясняется на основе фиг. 3 и 4.

Фиг. 3 показывает фазовый детектор такта по Гарднеру, который при схеме согласно фиг. 2 введен в ветвь обратной связи вместо нелинейной обработки сигнала 9. Выходным сигналом U_τ(k) фазового детектора управляется расположенный в приемной ветви дискретизатор S1. Фазовый детектор состоит из двух ветвей, к которым через демультиплексор S2 попеременно подводится со стороны входа принимаемый сигнал и которые на стороне выхода подключены к блоку умножения 13. Фазовый критерий такта по Гарднеру требует два значения отсчета сигнала на длительность символа T. Эти два момента взятия отсчета можно разделить на главный момент взятия отсчета, это момент времени, к которому также принимается решение данных и промежуточный момент взятия отсчета. Для определения фазового отклонения такта необходимы три соседних значения отсчета сигнала. Как видно из фигуры 3, для этого используют два соседних главных значения отсчета x_k-1, x_k, и лежащее между ними промежуточное значение отсчета x_k-1/2. Для этого на фиг. 3 предусмотрено на пути принимаемого сигнала разделение на две ветви, которые на стороне выхода соединены друг с другом через блок вычитания 12 и в одной из которых включено звено временной задержки 10 с временем задержки Т. Во второй ветви сигнала фазового детектора такта для промежуточного значения отсчета включено звено временной задержки T/2 11. Соответствующие положения переключения демультиплексора S2 обозначены Ф₁ и Ф₂. В соответствующих диаграммах значения сигнала x₀, x_1/2, x₁, x_3/2, x₂ ... представлены в функции от времени и ниже обозначены соответствующие положения переключения.

Ниже рассматривается двухступенчатый амплитудно-импульсно-модулированный (АИМ-) сигнал и при этом поясняется принцип действия фазового детектора такта с помощью диаграммы на фиг. 4, на которой нанесена характеристика изменения принимаемого сигнала x(t) в зависимости от времени t. Оба главных значения отсчета дают высказывание о крутизне характеристики изменения сигнала между этими двумя значениями отсчета. В идеальном случае это или положительная крутизна, или отрицательная крутизна, или отсутствие крутизны. На фиг. 4 крутизна примерной характеристики изменения сигнала x(t) между главными значениями отсчета x_k-1, x_k является отрицательной. В зависимости от этой крутизны определяется среднее отклонение промежуточного значения отсчета x_k-1/2. При неискаженном симметричном основном импульсе g(t) двухступенчатой амплитудно-импульсно-модулированной (АИМ-) системы при оптимальной фазе такта это среднее отклонение равно нулю. В более поздний момент отсчета, на фиг. 4 это имеет место для , среднее отклонение при положительной крутизне сигнала является положительным, а при отрицательной крутизне сигнала отрицательным. В более ранний момент времени такта - наоборот.

Из произведения крутизны сигнала и промежуточного значения отсчета получают однозначный фазовый критерий такта. Этот указанный Гарднером критерий имеет вид:

Систематическое фазовое дрожание такта возникает в рассматриваемой двухступенчатой амплитудно-импульсно-модулированной (АИМ-) системе за счет того, что промежуточное значение отсчета, также при импульсе Найквиста g(t) зависит не только от обоих соседних символов передачи (главные значения отсчета), но и также от остальных символов передачи a_i. Это приводит к отклонениям промежуточного значения отсчета, которые хотя в среднем равны нулю, но приводят к зависящему от повторяющейся структуры сигнала (pattern) дрожанию.

В основе изобретения лежит задача для фазового детектора такта описанного вначале вида указать решение для устранения этого дрожания, зависящего от повторяющейся структуры цифрового сигнала.

Эта задача согласно изобретению решается за счет того, что систематическое фазовое дрожание, которое возникает вследствие зависимости промежуточного значения отсчета от соседних главных значений отсчета, а также остальных символов передачи, устраняют путем вычитания влияний участвующих символов передачи из этого промежуточного значения отсчета с помощью трансверсального фильтра, который расположен на пути сигнала главных значений отсчета и фильтрующий выход которого соединен с блоком вычитания, ко второму входу которого подведено промежуточное значение отсчета, а выход этого блока вычитания и выход последующего, объединяющего оба соседних промежуточному значению отсчета главных значений отсчета блока вычитания подведены на блок умножения, с которого снимается фазовый критерий такта.

При фазовом детекторе такта с модифицированным фазовым критерием такта применяют охваченные обратной связью через принятие решения значения отсчета сигнала, которые отводят после блока принятия решения и используют вместо главных значений отсчета принимаемого сигнала. Относительно этого делается ссылка на US-A-4,831,637, из которого известно использование в приборе для устранения фазового дрожания в работающем с дискретизацией приемнике информации рекурсивно корректированных коэффициентов коррекции.

Предпочтительные формы выполнения и развития предмета изобретения указаны в зависимых пунктах 3 и 4 формулы изобретения.

Ниже изобретение поясняется более подробно на примерах выполнения, представленных на чертежах.

На фиг. 5 показан модифицированный фазовый детектор такта с уменьшенным дрожанием; на фиг. 6 - модифицированный фазовый детектор такта с применением охваченных обратной связью через принятие решения значений отсчета сигнала; на фиг. 7 - модифицированный фазовый детектор такта для систем квадратурной амплитудной модуляции (QAM) и на фиг. 8 - модифицированный фазовый детектор такта для систем квадратурной амплитудной модуляции (QAM) с применением охваченных обратной связью через принятие решения значений отсчета сигнала.

Фиг. 5 показывает схему, которой зависящее от повторяющейся структуры цифрового сигнала дрожание устраняется за счет вычитания влияния участвующих символов передачи от промежуточного значения отсчета. Это происходит в последующем с помощью простого трансверсального фильтра, который, например, выполнен симметричным, что однако не является обязательно необходимым. Этот фильтр содержит звенья временной задержки (линии задержки) 15 - 20, которые подключены последовательно со звеном временной задержки 10 в верхней ветви фигуры 3, а также исполнительные звенья 21 - 28 с N коэффициентами c₀... c_N-1, которые соединены через сумматоры 29 - 35, общий выходной сигнал которых подводят к блоку вычитания 14, к которому одновременно подключено расположенное в нижней ветви согласно фиг. 3 звено временной задержки 11 с временем задержки T/2 с включенным перед ним другим звеном временной задержки 36 с временем задержки (N/2-1)T. Выход блока вычитания 14, а также блока вычитания 12, который связан с входом и выходом звена временной задержки 10 в верхней ветви схемы, подключены к блоку умножения 13, с выхода которого снимается фазовый критерий такта U_τ(k). Для цели регулирования τ = 0 промежуточное значение отсчета должно сводиться с помощью трансверсального фильтра к нулю. Реакция на импульсное воздействие трансверсального фильтра с м коэффициентами имеет вид:

При этом c_n - коэффициенты трансверсального фильтра. Для модифицированного промежуточного значения отсчета таким образом справедливо:

Для неискаженного сигнала промежуточное значение отсчета в цели регулирования равно нулю. Таким образом также и зависящее от повторяющейся структуры цифрового сигнала дрожание исключено. Этот способ является применимым также при многоступенчатых амплитудно-импульсно-модулированных сигналах (АИМ), при которых уменьшение дрожания вследствие повышенной чувствительности системы становится все более необходимым.

Для принимаемого сигнала x(t) многоступенчатой системы М-АИМ (M-PAM) справедливо:

При этом s(t) является реакцией на импульсное воздействие передаточной функции канала S_K(f). Реакцией на импульсное воздействие всего импульсно-формирующего фильтрования на стороне передачи и приема является g(t).

Для фазового критерия такта по Гарднеру справедливо:
U_τ(k) = x(τ-T/2+kT)•[x(τ+kT)-x(τ-T+kT)] (6)
Если промежуточное значение отсчета с помощью трансверсального фильтра с N коэффициентами освобождают от зависящего от повторяющейся структуры цифрового сигнала дрожания, то получают лежащий в основе изобретения модифицированный фазовый критерий такта:

Дополнительное улучшение отношения сигнал/помеха, а именно увеличение крутизны детектора, может быть достигнуто за счет применения оцененных символов передачи вместо главных значений отсчета принимаемого сигнала x_i. Это имеет значение тогда, когда трансверсальный фильтр для ограничения дрожания по причинам затрат имеет только ограниченную длину.

Фиг. 6 показывает схему для модифицированного фазового критерия такта при применении охваченных обратной связью через принятие решения значений отсчета сигнала. Она в основном соответствует схеме, представленной на фиг. 5. Отличием является введенный в верхнюю ветвь линии блок принятия решения 37 для многоступенчатой амплитудно-импульсной-модуляции (АИМ). Далее вместо главных значений отсчета принимаемого сигнала x_k+N/2-1 ... x_k-N/2 на отдельных отводах звеньев временной задержки 15 - 20 имеются оцененные символы передачи
Описанный выше фазовый детектор такта может быть соответствующим образом использован при квадратурно-амплитудно-модулированных сигналах данных (QAM).

Образ действий при этом такой же, как и в случае амплитудно-импульсно-модулированных сигналов (АИМ). Для того, чтобы в цели регулирования ( τ = 0) получить промежуточное значение отсчета 0, применяется трансверсальный фильтр с N (четное) коэффициентами, который при передаче квадратурно-амплитудно-модулированных сигналов (QAM) в эквивалентном диапазоне нижних частот состоит из 4 отдельных трансверсальных фильтров. Соответствующие схемы представлены на фиг. 7 и 8, причем фиг. 7 показывает схему для модифицированного фазового критерия такта для систем квадратурной амплитудной модуляции (QAM), а фигура-8 схему модифицированного фазового критерия такта для систем квадратурной амплитудной модуляции (QAM) с применением охваченных обратной связью через принятие решения оценочных значений символов. Обе схемы выполнены аналогично схемам на фиг. 5 и 6, однако предусмотрены соответственно комплексной конструкции входы сигнала для активной составляющей и для мнимой составляющей, а также соответственно в ветви основной схемы трансверсальные фильтры для активной составляющей и для мнимой составляющей. Эти (фильтры) связаны между собой так, что трансверсальный фильтр для активной составляющей одной ветви и трансверсальный фильтр для мнимой составляющей другой ветви на стороне выхода соединены друг с другом и наоборот. В соответствии с уравнением получаются такие же результаты, что и в случае АИМ, причем однако при этом коэффициенты трансверсальных фильтров являются комплексными. Если при системе QAM для фазового критерия такта используются оба сигнала основной полосы (I- и Q-канал), то фазовый детектор такта является независимым от фазы несущей; кроме того, остающееся систематическое фазовое дрожание такта является на 3 дБ меньше, чем при применении только одной составляющей основной полосы.

Соответственно АИМ также и при квадратурной АИ возможно улучшение крутизны детектора путем применения охваченных обратной связью через принятие решения значений отсчета сигнала. Такая схема реализована в примере выполнения согласно фиг. 8.

Фазовый детектор такта вышеописанного вида используется, например, в восстановлении такта демодулятора системы направленной связи, причем цифровой фазовый критерий такта запоминается в виде таблицы в стираемой программируемой постоянной памяти (EPROM). Табличный способ для получения фазового критерия такта имеет то преимущество, что позволяет реализовать также более сложные алгоритмы обработки сигнала.

Изобретение относится к фазовому детектору такта для синхронной передачи данных в приемнике системы связи, в которой для получения фазового критерия такта из принимаемого сигнала образуют два соседних главных значения отсчета на длительность символа Т, а также дополнительное, лежащее посредине между этими двумя значениями промежуточное значение отсчета. Для такого фазового детектора такта должно устраняться зависящее от повторяющейся структуры цифрового сигнала дрожание, что и является техническим результатом. Это достигается согласно изобретению путем модификации способа Гарднера, который учитывает воздействия помех соседних символов на фазовый критерий такта и таким образом уменьшает собственное дрожание. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Фазовый детектор такта для синхронной передачи данных в приемнике ВЧ системы связи, содержащий демультиплексор, к входу которого подведен сигнал и который образует главные значения отсчета с интервалом длительности символа Т сигнала и выдает на первую ветвь с первым элементом задержки на длительность Т, к входу и выходу которого подключен первый блок вычитания и который дополнительно образует лежащие соответственно между двумя главными значениями отсчета промежуточные значения отсчета и выдает на вторую ветвь со вторым элементом задержки на длительность Т/2, блок умножения, к первому входу которого через вторую ветвь подводят задержанное промежуточное значение отсчета и второй вход которого соединен с выходом первого блока вычитания, объединяющего соседние главные значения отсчета, причем с выхода блока умножения снимается фазовый критерий такта, отличающийся тем, что в первую ветвь включен трансверсальный фильтр, элементы задержки которого содержат первый элемент задержки, во второй ветви предусмотрен дополнительный элемент задержки, предусмотрен дополнительный блок вычитания, входы которого подключены соответственно к выходу трансверсального фильтра и к выходу звена задержки на длительность Т/2, к которому приложено задержанное во второй ветви промежуточное значение отсчета, причем выход дополнительного блока вычитания соединен с первым входом блока умножения. 2. Детектор по п.1, отличающийся тем, что в первой ветви предусмотрен блок принятия решения.