Тема: Алгоритмы восстановления несущей частоты в цифровых демодуляторах фазоманипулированных сигналов для реализации в программируемой логике

В настоящее время цифровые способы модуляции информационного сигнала находят широкое применение. Они используются в различных системах мобильной связи и телевидения, а также в навигационных системах летательных аппаратов.
Цифровые виды модуляции применяются чтобы передавать кодированные сообщения дискретными методами. Суть цифровой модуляции заключается в том, что передаваемый непрерывный сигнал дискретизируется во времени, квантуется по уровню и полученные отчеты, следующие в дискретные моменты времени, преобразуются в кодовые комбинации.
Следовательно, цифровые методы модуляции основаны на трех необходимых преобразованиях полезных непрерывных сигналов: дискретизации, квантовании и кодировании.
Достоинствами цифровых методов модуляции являются: высокая помехоустойчивость даже при использовании каналов с большим уровнем шумов, возможность восстановления сигналов, универсальная форма представления сигналов для различных сообщений, низкая чувствительность к нелинейным искажениям, возможность автоматизации передачи и обработки сигналов с помощью компьютеров.
Основными недостатками систем с цифровыми способами передачи сигналов являются: значительное расширение занимаемой полосы частот каналов, необходимость обеспечения точной синхронизации сигналов и построения аппаратуры для регенерации сигналов на линиях большой протяженности.
При демодуляции сигналов возникает проблема синхронизации. В настоящее время известны и применяются алгоритмы фазовой и символьной синхронизации.
Проблема заключается в том, что передатчик и приемник настроен на разные частоты, при правильном декодировании информации необходимо синхронизировать символы.
Повышение требования к качеству передачи данных в цифровых системах связано, в первую очередь, с улучшением работы систем синхронизации, применяемых для автоматического поддержания параметров сигналов, генерируемых в приемнике (частота и фаза несущей), а также определения моментов времени начала тактовых интервалов. В целом задачи синхронизации являются, пожалуй, самыми неоднозначными с точки зрения методологии и теории оптимальности [6,7].
В данной работе рассмотрены алгоритмы восстановления несущей частоты в цифровых демодуляторах фазоманипулированных сигналов для их реализации в программируемой логике. Применение того или иного алгоритма будет влиять на требуемые аппаратные ресурсы ПЛИС.
При выборе семейств ПЛИС и конкретных микросхем в рамках этого семейства, разработчик сталкивается с проблемой определения конкретных аппаратных ресурсов. Такая оценка может быть проведена на основе созданной модели. Основными ресурсами в ПЛИС являются: умножитель, ячейки памяти (регистр), сумматор.
Актуальность работы заключается в создании моделей демодулятора с различными алгоритмами фазовой синхронизацией для реализации в программируемой логике, по разработанным моделям производится оценка требуемых аппаратных ресурсов для реализации моделей в семействе ПЛИС.
Способ восстановления несущей частоты фазоманипулированного сигнала и слежения за ней характеризуется тем, что синфазный опорный сигнал, являющийся сигналом восстановленной несущей, формируют посредством фазовой модуляции гармонического сигнала, создаваемого автономным генератором, в соответствии с сигналом, получаемым при интегрировании
профильтрованного сигнала в фильтре кольца фазовой автоматической подстройки частоты. При этом, фазовую модуляцию осуществляют посредством перемножений функциональных сигналов синусных и косинусных преобразований, полученных в соответствии с результатом интегрирования, с квадратурными гармоническими сигналами автономного генератора и суммирования результатов этих перемножений.
Объектом исследования выпускной квалификационной работы магистра является алгоритмы фазовой синхронизации.
Предметом исследования в выпускной квалификационной работе являются требуемые аппаратные ресурсы необходимые для реализации алгоритмов восстановления несущей частоты в цифровых демодуляторах фазоманипулированных сигналов в программируемой логике.
Целью выпускной квалификационной работы является изучение алгоритмов фазовой синхронизации в цифровых демодуляторах фазоманипулированных сигналов для реализации в программируемой логике.
В первом разделе был произведен анализ технического задания и выбор подхода к разработке модели устройства. Были изучены принципы работы QPSK – модуляции.
Во втором разделе пояснительной записки были рассмотрены алгоритмы восстановления несущей частоты.
В третьем разделе была разработана модель для исследования алгоритмов в среде «MatLab».
В четвертом разделе было проведено исследование моделей.
В пятом разделе была проведена оценка аппаратных ресурсов необходимых для реализации в программируемой логике.

Купить

На сегодня среди известных способов восстановления несущей частоты наиболее широко используется способ фазовой автоматической подстройки частоты, (реализованный в фазоквадратурном кольце ФАПЧ-системе Костаса), по которому производят формирование квадратурных опорных сигналов со средней частотой принимаемого ФМ сигнала посредством подстраиваемого по частоте генератора, управляемого напряжением, детектирование квадратурной части ФМ сигнала путем перемножения его со сдвинутым по фазе на 90° опорным сигналом, детектирование синфазной части ФМ сигнала путем перемножения его с синфазным опорным сигналом, являющимся сигналом восстановленной несущей, фильтрацию в полосе модулирующих частот результатов каждого детектирования, перемножение квадратурных составляющих отфильтрованных сигналов, фильтрацию результатов перемножения сигналов посредством фильтра кольца ФАП с целью формирования управляющего напряжения для подстраиваемого генератора, тем самым приводят сигнал подстраиваемого генератора в когерентное соответствие с принимаемым ФМ сигналом.
Как известно, фазовые ошибки слежения за фазой несущей этого способа ФАПЧ и способа ФАПЧ с квадратором описываются одинаковыми стохастическими уравнениями. Поэтому при прочих равных условиях дисперсии фазовых ошибок слежения за фазой несущей как этого способа ФАПЧ, так и способа ФАПЧ с квадратором будут одного уровня. Но способ ФАПЧ в большинстве случаев оказывается предпочтительнее способа ФАПЧ с возведением в квадрат в виду его меньшей чувствительности к сдвигам средней частоты принимаемого ФМ сигнала. При схемной реализации этого способа электрические цепи управления частотой подстраиваемого генератора также создают дополнительные фазовые шумы, что и в известном способе ФАПЧ с квадратором, как было показано выше.
В выпускной квалификационной работе магистра были разработаны две модели: модель с петлей, управляемой решением и модель с петлей, неуправляемой решением. Проведены исследования данных моделей при различных отношениях сигнал/шум.
В результате исследований демодуляторов с различными методами синхронизации можно сделать следующие вывод, что синхронизация достигается быстрее в схеме с петлей, управляемой решением, качество принимаемого сигнала лучше в схеме с петлей, управляемой решением. Время синхронизации в исследуемом диапазоне практически не зависит от задаваемого отношения сигнал/шум. А также заметим, что установившийся режим синхронизации наступает примерно в одинаковое время.
Провели оценку аппаратных ресурсов необходимых для реализации моделей на ПЛИС. Требуемые ресурсы уточняются при реализации на конкретной ПЛИС. В результате сравнения оценки аппаратных ресурсов был сделан вывод, что петля, неуправляемая решением (петля Костаса) занимает больше аппаратных ресурсов, чем петля, управляемая решением. В алгоритмах синхронизации более ресурсоемкие это фильтры, поэтому в качестве примера использован фильтр, описание фильтра на языке VHDL представлен в приложении.

Купить