Система восстановления несущей — это схема, используемая для оценки и компенсации разности частот и фаз между несущей волной принимаемого сигнала и гетеродином приемника с целью когерентной демодуляции .
В передатчике системы связи несущая волна модулируется сигналом основной полосы . В приемнике информация основной полосы извлекается из входящей модулированной волны.
В идеальной системе связи генераторы несущего сигнала передатчика и приемника были бы идеально согласованы по частоте и фазе, что позволяло бы осуществлять идеальную когерентную демодуляцию модулированного сигнала основной полосы частот.
Однако передатчики и приемники редко используют один и тот же генератор несущей частоты. Системы приемников связи обычно независимы от передающих систем и содержат их генераторы с частотными и фазовыми смещениями и нестабильностями. Доплеровский сдвиг также может способствовать частотным различиям в системах мобильной радиочастотной связи.
Все эти частоты и изменения фазы должны быть оценены с использованием информации в полученном сигнале, чтобы воспроизвести или восстановить несущий сигнал на приемнике и обеспечить когерентную демодуляцию.
Для тихой несущей или сигнала, содержащего доминирующую спектральную линию несущей , восстановление несущей может быть достигнуто с помощью простого полосового фильтра на несущей частоте или с помощью фазовой автоподстройки частоты , или обоими способами. [1]
Однако многие схемы модуляции делают этот простой подход непрактичным, поскольку большая часть мощности сигнала выделяется на модуляцию — где присутствует информация — а не на несущую частоту. Уменьшение мощности несущей приводит к повышению эффективности передатчика. Для восстановления несущей в этих условиях необходимо использовать различные методы.
Методы восстановления несущей без использования данных/«слепые» не зависят от знания символов модуляции. Они обычно используются для простых схем восстановления несущей или в качестве начального грубого метода восстановления несущей частоты. [2] Замкнутые системы без использования данных часто являются детекторами ошибок частоты максимального правдоподобия. [2]
В этом методе [3] восстановления несущей без помощи данных нелинейная операция ( умножение частоты ) применяется к модулированному сигналу для создания гармоник несущей частоты с удаленной модуляцией (см. пример ниже). [ необходимо дополнительное объяснение ] Затем несущая гармоника фильтруется полосовым фильтром и делится по частоте для восстановления несущей частоты. (За этим может следовать ФАПЧ.) Умножение-фильтрация-деление является примером восстановления несущей с разомкнутым контуром , который предпочтителен в пакетных транзакциях ( тактовый сигнал и восстановление данных в пакетном режиме ), поскольку время получения обычно короче, чем для синхронизаторов с замкнутым контуром.
Если известно смещение/задержка фазы системы умножения-фильтрации-разделения, то ее можно компенсировать, чтобы восстановить правильную фазу. На практике применение этой компенсации фазы является сложным. [4]
В общем случае порядок модуляции соответствует нелинейному оператору, необходимому для создания чистой несущей гармоники.
В качестве примера рассмотрим сигнал BPSK . Мы можем восстановить несущую частоту RF, возведя ее в квадрат:
Это создает сигнал на частоте, вдвое превышающей несущую частоту РЧ, без фазовой модуляции (по модулю фазы это фактически нулевая модуляция).
Для сигнала QPSK можно взять четвертую степень:
Производится два термина (плюс компонент постоянного тока). Соответствующий фильтр вокруг восстанавливает эту частоту.
Восстановление несущей частоты и фазы, а также демодуляция могут быть выполнены с использованием петли Костаса соответствующего порядка. [5] Петля Костаса является двоюродным братом ФАПЧ, которая использует когерентные квадратурные сигналы для измерения фазовой ошибки. Эта фазовая ошибка используется для дисциплинирования генератора петли. После правильного выравнивания/восстановления квадратурные сигналы также успешно демодулируют сигнал. Восстановление несущей петли Костаса может использоваться для любой схемы модуляции M-арной PSK . [5] Одним из присущих петле Костаса недостатков является фазовая неоднозначность 360/M градусов, присутствующая на демодулированном выходе.
В начале процесса восстановления несущей можно достичь 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, направленном на решение, выход декодера символов подается на схему сравнения, а разность фаз/ошибка между декодированным символом и принятым сигналом используется для дисциплинирования локального генератора. Методы, направленные на решение, подходят для синхронизации разностей частот, которые меньше скорости символов, поскольку сравнения выполняются на символах на скорости символов или близкой к ней. Для достижения начального захвата частоты могут потребоваться другие методы восстановления частоты.
Распространенная форма восстановления несущей, направленной на принятие решения, начинается с квадратурных фазовых корреляторов, создающих 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 вычисляется с использованием арктангенса (или приближения). Однако арктангенс может вычислить только фазовую коррекцию между 0 и . Большинство созвездий QAM также имеют фазовую симметрию. Оба этих недостатка удалось преодолеть с помощью дифференциального кодирования . [2]
В условиях низкого SNR декодер символов будет чаще совершать ошибки. Исключительное использование угловых символов в прямоугольных созвездиях или предоставление им большего веса по сравнению с символами с низким SNR снижает влияние ошибок принятия решений с низким SNR.
![{\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}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7d29afde0168376af38b2e3f474067e339cdf604)
![{\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}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/fc66362df5808a47ca4da66753cf850ace4e52c8)
