Восстановление носителя

Система восстановления несущей — это схема , используемая для оценки и компенсации разности частот и фаз между несущей принимаемого сигнала и гетеродином приемника с целью когерентной демодуляции .

Пример ошибки фазы восстановления несущей QPSK , вызывающей фиксированное вращательное смещение принятого созвездия символов X относительно предполагаемого созвездия O.

Пример ошибки частоты восстановления несущей QPSK , вызывающей вращение полученного созвездия символов X относительно предполагаемого созвездия O.

В передатчике несущей системы связи несущая модулируется сигналом основной полосы частот . В приемнике информация основной полосы извлекается из входящего модулированного сигнала.

В идеальной системе связи генераторы несущего сигнала передатчика и приемника были бы идеально согласованы по частоте и фазе, тем самым обеспечивая идеальную когерентную демодуляцию модулированного сигнала основной полосы частот.

Однако передатчики и приемники редко используют один и тот же генератор несущей. Приемные системы связи обычно не зависят от передающих систем и содержат генераторы со смещением частоты и фазы и нестабильностью. Доплеровский сдвиг также может способствовать разнице частот в системах мобильной радиочастотной связи.

Все эти изменения частот и фаз должны быть оценены с использованием информации принятого сигнала, чтобы воспроизвести или восстановить сигнал несущей в приемнике и обеспечить когерентную демодуляцию.

Методы

Для спокойной несущей или сигнала, содержащего доминирующую спектральную линию несущей , восстановление несущей может быть выполнено с помощью простого полосового фильтра на несущей частоте или с помощью системы фазовой автоподстройки частоты , или и того, и другого. ^[1]

Однако многие схемы модуляции делают этот простой подход непрактичным, поскольку большая часть мощности сигнала уходит на модуляцию, где присутствует информация, а не на несущую частоту. Уменьшение мощности несущей приводит к повышению эффективности передатчика. Для восстановления носителя в этих условиях необходимо использовать разные методы.

Без использования данных

Методы восстановления несущей без использования данных/«слепые» методы восстановления несущей не полагаются на знание символов модуляции. Они обычно используются для простых схем восстановления несущей или в качестве начального метода восстановления грубой несущей частоты. ^[2] Замкнутые системы без использования данных часто являются детекторами частотных ошибок максимального правдоподобия. ^[2]

Умножить-фильтровать-делить

В этом методе ^[3] восстановления несущей без использования данных к модулированному сигналу применяется нелинейная операция ( умножитель частоты ) для создания гармоник несущей частоты с удаленной модуляцией (см. пример ниже) ^{[ необходимо дальнейшее объяснение ]} . Затем несущая гармоника фильтруется полосовым фильтром и делится по частоте для восстановления несущей частоты. (За этим может следовать ФАПЧ.) Умножение-фильтр-деление — это пример восстановления несущей с разомкнутым контуром , который предпочтителен в пакетных транзакциях ( тактовый сигнал в пакетном режиме и восстановление данных ), поскольку время сбора данных обычно короче, чем для закрытых транзакций. синхронизаторы контура.

Если смещение фазы/задержка системы умножения-фильтра-деления известны, их можно скомпенсировать для восстановления правильной фазы. На практике применение этой фазовой компенсации затруднено. ^[4]

В общем, порядок модуляции соответствует нелинейному оператору, необходимому для создания чистой несущей гармоники.

В качестве примера рассмотрим сигнал BPSK . Мы можем восстановить несущую частоту RF, возведя в квадрат: ${\displaystyle \omega _{RF}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}V_{BPSK}(t)&{}=A(t)\cos(\omega _{RF}t+n\pi );n=0,1\\V_{BPSK}^{2}(t)&{}=A^{2}(t)\cos ^{2}(\omega _{RF}t+n\pi )\\V_{BPSK}^{2}(t)&{}={\frac {A^{2}(t)}{2}}[1+\cos(2\omega _{RF}t+n2{\pi })]\end{aligned}}}$

Это создает сигнал с удвоенной несущей частотой RF без фазовой модуляции ( фаза по модулю фактически равна 0 модуляции). ${\displaystyle 2\pi }$

Для сигнала QPSK мы можем взять четвертую степень:

${\displaystyle {\begin{aligned}V_{QPSK}(t)&{}=A(t)\cos(\omega _{RF}t+n{\frac {\pi }{2}});n=0,1,2,3\\V_{QPSK}^{4}(t)&{}=A^{4}(t)\cos ^{4}(\omega _{RF}t+n{\frac {\pi }{2}})\\V_{QPSK}^{4}(t)&{}={\frac {A^{4}(t)}{8}}[3+4\cos(2\omega _{RF}t+n{\pi })+\cos(4\omega _{RF}t+n2\pi )]\end{aligned}}}$

Получаются два члена (плюс составляющая постоянного тока). Соответствующий фильтр восстанавливает эту частоту. ${\displaystyle 4\omega _{RF}}$

Петля Костаса

Восстановление несущей частоты и фазы, а также демодуляция могут быть выполнены с использованием контура Костаса соответствующего порядка. ^[5] Петля Костаса является родственником системы ФАПЧ, которая использует когерентные квадратурные сигналы для измерения фазовой ошибки. Эта фазовая ошибка используется для дисциплинирования генератора контура. После правильного выравнивания/восстановления квадратурные сигналы также успешно демодулируют сигнал. Восстановление несущей петли Костаса может использоваться для любой схемы модуляции M-ary PSK . ^[5] Одним из присущих петле Костаса недостатков является неопределенность фазы 360/M градусов, присутствующая на демодулированном выходе.

Направленный на принятие решений

В начале процесса восстановления несущей можно добиться синхронизации символов до полного восстановления несущей, поскольку синхронизация символов может быть определена без знания фазы несущей или незначительного изменения/смещения частоты несущей. ^[6] При восстановлении несущей с управляемым решением выходной сигнал декодера символов подается в схему сравнения, а разность фаз/ошибка между декодированным символом и принятым сигналом используется для дисциплинирования гетеродина. Методы, ориентированные на принятие решения, подходят для синхронизации разностей частот, которые меньше скорости передачи символов, поскольку сравнения выполняются для символов со скоростью передачи символов или близкой к ней. Для достижения первоначального обнаружения частоты могут потребоваться другие методы восстановления частоты.

Обычная форма восстановления несущей с управлением по решению начинается с квадратурных фазовых корреляторов, генерирующих синфазные и квадратурные сигналы, представляющие координату символа в комплексной плоскости . Эта точка должна соответствовать местоположению на диаграмме созвездия модуляции . Фазовая ошибка между полученным значением и ближайшим/декодированным символом рассчитывается с использованием арктангенса (или приближения). Однако арктангенс может вычислить поправку фазы только между 0 и . Большинство группировок QAM также обладают фазовой симметрией. Оба этих недостатка удалось преодолеть с помощью дифференциального кодирования . ^[2] ${\displaystyle \pi /2}$ ${\displaystyle \pi /2}$

В условиях низкого SNR декодер символов будет чаще совершать ошибки. Исключительное использование угловых символов в прямоугольных созвездиях или придание им большего веса по сравнению с символами с более низким SNR снижает влияние ошибок принятия решений с низким SNR.

Смотрите также

• Восстановление часов
• Фазовый детектор

Примечания

1. Брегни 2002
2. Гибсон 2002
3. Дж. М. Стебер, Демодуляция PSK: Часть 1, Том. 11, WJ Tech Notes, 1984.
4. Фейгин 2002
5. Николосо 1997
6. Барри 2003

Рекомендации

• Барри, Джон Р.; Ли, Эдвард А.; Мессершмитт, Дэвид Г. (2003). Цифровые коммуникации (3-е изд.). Спрингер. стр. 727–736. ISBN 0-7923-7548-3.
• Гибсон, Джерри Д. (2002). Справочник по коммуникациям (2-е изд.). КПР. стр. 19–3–19–18. ISBN 0-8493-0967-0.
• Бреньи, Стефано (2002). Синхронизация цифровых телекоммуникационных сетей . Уайли. стр. 3–4. ISBN 0-471-61550-1.
• Фейгин, Джефф (январь 2002 г.). «Практическая конструкция петли Костаса» (PDF) . РФ Дизайн . Группа электронного дизайна. Архивировано из оригинала (PDF) 11 февраля 2012 г. Проверено 1 мая 2008 г.
• Николосо, Стивен П. (июнь 1997 г.). Исследование методов восстановления несущей для сигналов, модулированных PSK, в мобильных средах CDMA и многолучевого распространения (PDF) . Диссертация (Диссертация). Политехнический институт Вирджинии и Государственный университет. hdl : 10919/35869 . Проверено 26 сентября 2020 г.
• Стебер, Дж. Марк (1984). PSK-демодуляция: Часть 1 . стр. 8–10.