Principio del método del anillo cuadrado
El siguiente es un nuevo circuito de anillo cuadrado digital para lograr la función de extraer portadoras coherentes de señales BPSK. El circuito es simple y fácil de implementar, y ha sido deducido y modelado matemáticamente. Tiene un buen valor práctico. .
1 Estructura del bucle de bloqueo de fase
El bucle de bloqueo de fase (PLL) consta de un detector de fase (PD), un filtro de bucle (LF) y un oscilador controlado numéricamente (NCO). se muestra en la Figura 1.
El detector de fase generalmente se implementa mediante un multiplicador. La señal de error de fase emitida por el detector de fase es filtrada por el filtro de bucle y utilizada como señal de control del NCO. La salida del NCO se retroalimenta. al detector de fase y se compara con la señal de entrada. PLL es un sistema de retroalimentación negativa de fase. Cuando el PLL está bloqueado, la fase de la señal de salida del oscilador CNC seguirá el cambio de fase de la señal de entrada. En este momento, la frecuencia de la señal de salida del oscilador CNC será igual a la frecuencia de la señal de entrada, pero la fase. mantendrá un pequeño error.
2-El principio de funcionamiento del método del anillo cuadrado
En el circuito de recuperación de portadora de anillo cuadrado, la señal BPSK se eleva al cuadrado para obtener un componente del espectro dos veces la frecuencia portadora, que se extrae mediante un bucle de bloqueo de fase. Este componente luego se puede obtener mediante separación de colores y división de frecuencia para obtener el componente de frecuencia portadora, como se muestra en la Figura 2.
Dado que el detector de fase se implementa con un multiplicador, la señal de error de fase emitida por el detector de fase es:
Donde, Kd=KpA/4. La salida del filtro de bucle solo está relacionada con la diferencia de fase entre la salida del oscilador CNC y la señal de entrada (es decir, el voltaje de control) para regular con precisión el oscilador CNC. Obviamente, Δφ = 0 cuando la portadora en fase recuperada localmente alcanza la misma frecuencia y fase que la portadora modulada. Por lo tanto, la clave de la demodulación es ajustar la frecuencia y la fase de la señal de salida del NCO para que finalmente cumpla con Δφ = 0 o dentro de un rango muy pequeño de Δφ = 0, es decir, el problema de sincronización de la portadora local de la demodulación coherente. Durante el funcionamiento, el bucle de bloqueo de fase se puede bloquear en cualquier punto de equilibrio estable. Esto significa que la portadora coherente recuperada puede estar en fase o desfasada con la portadora local ideal deseada. Dado que la portadora de referencia local tiene ambigüedad 0,π, la señal digital demodulada puede tener exactamente la polaridad opuesta, provocando que los 1 y 0 se inviertan. Por supuesto, esto no está permitido por la transmisión digital. La forma más común y eficaz de superar la ambigüedad de fase es utilizar codificación diferencial en la señal de banda base digital en la entrada del modulador.
3 Funcionamiento mejorado del anillo cuadrado
El circuito mejorado de recuperación del portador del anillo cuadrado se muestra en la Figura 3. El oscilador controlado numéricamente NCO generado por DDS puede generar señales de seno y coseno completamente ortogonales, teniendo en cuenta la relación entre la función trigonométrica sin (2ωct+2△φ) = 2sin(ωct+△φ)cos(ωct+△φ), entonces, donde la frecuencia del NCO está bloqueada en la frecuencia portadora ωc, y luego las dos salidas seno y coseno del NCO se amplifican dos veces a través de un multiplicador. En la implementación de FPGA, solo se necesitan cambios simples para completar las operaciones de multiplicación y división, y la salida es la salida de anillo cuadrado del NCO tradicional. Dado que el oscilador controlado numéricamente bloquea la frecuencia en ωc, su salida sinusoidal se extrae de la portadora. onda, salvando Fue al circuito cruzado. Dado que todos los circuitos divisores de frecuencia tradicionales utilizan circuitos divisores de frecuencia digitales y no pueden mantener la forma de onda sinusoidal original, se requieren filtros adicionales y otros circuitos. En comparación con el circuito mejorado, el circuito mejorado es mucho más complejo y no es fácil de implementar.
4 Componentes del bucle
4.1 Discriminador de fase
En un bucle bloqueado de fase, el discriminador de fase (también llamado detector de fase) es un dispositivo de comparación de fases.
Compara la fase instantánea de la señal de entrada con la señal de salida del oscilador CNC, produciendo así un voltaje de salida. La magnitud de este voltaje refleja directamente la magnitud de la diferencia de fase entre las dos señales; la polaridad de este voltaje refleja la relación de fase relativa de la señal de entrada adelantada o retrasada con respecto a la señal de salida del oscilador controlado numéricamente. Se puede ver que el detector de fase se utiliza para completar la conversión de la diferencia de fase y el voltaje en el bucle, y el voltaje de error generado por él es una función del error de fase instantáneo.
4.2 Filtro de bucle
El filtro de bucle se utiliza para atenuar el error de fase que cambia rápidamente causado por el ruido de la señal de entrada y suavizar los componentes de alta frecuencia filtrados por el detector de fase, es decir , filtrado, haciendo así una estimación precisa de la señal original en su salida. El orden del filtro de bucle y el ancho de banda del ruido determinan la respuesta dinámica del filtro de bucle a la señal. La literatura [5] proporciona un análisis detallado del rendimiento de varios filtros de bucle comúnmente utilizados. Dado que el filtro de bucle de primer orden producirá una diferencia de fase de estado estable y reducirá el rendimiento de la tasa de error de bits del sistema; el filtro de bucle de tercer orden es difícil de implementar en aplicaciones prácticas y el filtro de bucle de segundo orden tiene CC infinita; ganancia y frecuencia Aún se puede lograr un estado estable cuando la desviación es constante y la dificultad de implementación es adecuada, es decir, se utiliza un filtro de bucle de segundo orden y su diagrama de bloques estructural se muestra en la Figura 4.
Donde ξ es el coeficiente de amortiguación del bucle, normalmente 0,707; ωn es la frecuencia de oscilación amortiguada; Ts es el período de actualización de la palabra de control de frecuencia; Kd es la ganancia del bucle. Para una derivación detallada, consulte la referencia [6]. Por lo tanto, la clave para el diseño de parámetros del filtro de bucle reside en ωn y Kd. Normalmente en el diseño se utiliza el ancho de banda de ruido Bn del filtro en lugar de ωn, es decir, ωn, ξ. Existen contradicciones y unificaciones entre los diversos requisitos de rendimiento del bucle de fase bloqueada para llamar a ωn y ξ. Aumentar las cantidades de llamadas ωn y ξ puede aumentar la banda de frecuencia de captura, acortar el tiempo de captura, fortalecer el filtrado del ruido NCO, reducir la correlación de estado estable, aumentar la banda de frecuencia de sincronización y aumentar la frecuencia de escaneo sincrónico reduciendo las cantidades de llamadas ωn; y ξ puede mejorar el filtrado del ruido de entrada y extender el tiempo promedio del ciclo de salto de frecuencia. Mejorar el rendimiento de un lado reducirá el rendimiento del otro lado, por lo que diseñar correctamente los parámetros del filtro de bucle puede optimizar el rendimiento del sistema.
4.3 Oscilador controlado numéricamente
La función del NCO en el bucle es generar seno y coseno ideales de frecuencia variable o, para ser precisos, generar muestras de seno con variable en tiempo real. frecuencia. Las muestras de seno se pueden generar mediante cálculos en tiempo real, pero a frecuencias de muestreo de alta velocidad, el método más eficaz para que NCO genere seno y coseno es el método de tabla de búsqueda, es decir, buscando los valores de seno y coseno correspondientes. para generar seno y coseno, de acuerdo con las fases seno y coseno de NCO, los valores de seno y coseno correspondientes se calculan de antemano y el ángulo de fase correspondiente se utiliza como dirección de muestreo de la memoria de forma de onda (ROM) para almacenar el seno. y valores de coseno de la fase correspondiente. La fase del NCO se puede obtener sumando la suma de salida de la palabra de control de frecuencia fija (frecuencia portadora) y el filtro de bucle, y luego verificando el valor de muestra de forma de onda almacenado en la memoria de forma de onda (código binario) a través de una tabla de búsqueda para completar la conversión de fase a amplitud. El tamaño de la tabla sinusoidal ROM interna del NCO afecta la precisión de la forma de onda de salida. Cuanto mayor sea la tabla sinusoidal ROM, más ideal será la salida de forma de onda obtenida, pero también aumenta los recursos de hardware. Teniendo en cuenta la simetría de la señal sinusoidal, solo se almacena 1/4 del período, es decir, la forma de onda de 0 a π/2. Esto se puede lograr de acuerdo con un determinado algoritmo basado en la relación entre las direcciones de la ROM. forma de onda de entrada y sus datos de salida.
5 Simulación y análisis
El bucle cuadrado mejorado de bloqueo de fase se simula utilizando Simulink. Dado que DDS se puede definir directamente como dos salidas en cuadratura cuando se implementa en FPGA, la salida del oscilador CNC es solo una salida en el modelo de Simulink. Para simplificar, se utilizan dos osciladores CNC para construir el modelo de bucle bloqueado en fase, y la diferencia de fase entre los dos osciladores CNC se establece en π/2 para obtener salidas en cuadratura. Esto no sólo simplifica enormemente el tiempo para construir el modelo, sino que tampoco tiene ningún impacto en la simulación en sí, cuyo núcleo se muestra en la Figura 5. Condiciones de simulación: la diferencia de fase inicial es π/3; el desplazamiento de frecuencia inicial es de 5 kHz; el modo de modulación es BPSK; la frecuencia de portadora es de 4 MHz;
El modelo de simulación se muestra en la Figura 6.
Entre ellos, el módulo generador binario de Bernoulli y el módulo de onda sinusoidal generan secuencias de números binarios aleatorios distribuidos por Bernoulli y señales portadoras respectivamente. Las secuencias de números binarios aleatorios generan códigos bipolares distintos de cero a través de un módulo de transformación simple y luego los envían al módulo de Producto. juntos.Modulación BPSK completa. Dado que esta simulación es principalmente para verificar la viabilidad del algoritmo, se supone que se transmite bajo un canal ideal. En el extremo de demodulación de recepción, el multiplicador Producto1 se utiliza para completar la función cuadrada y también se puede reemplazar por un módulo de dispositivo no lineal, como un módulo de valor absoluto. Product2 se utiliza como detector de fase para un bucle de bloqueo de fase, que es un bucle de segundo orden. Para verificar la viabilidad del algoritmo, existe un cierto error entre la frecuencia central del NCO y la frecuencia portadora de transmisión. La sensibilidad del control también se puede determinar mediante experimentos de simulación. Para comparar mejor los resultados de la simulación, la frecuencia del módulo de onda sinusoidal es la misma que la frecuencia central establecida por el NCO y la salida se envía al osciloscopio para su observación y análisis.
La comparación del osciloscopio Scope2 muestra la salida de un código bipolar distinto de cero multiplicado por una portadora coherente y la salida no multiplicada por un bucle de bloqueo de fase. La Figura 7 muestra la forma de onda después de que la señal se multiplica por la portadora (la abscisa del osciloscopio representa el eje del tiempo, el símbolo físico es t, la unidad es s, la cantidad física es 2 μs; la ordenada representa la intensidad de la señal). Para ver el gráfico con mayor claridad, las formas de onda en la Figura 7 están antes del paso bajo y el decisor de muestra. No es difícil ver en la comparación en la figura que el bucle de bloqueo de fase mejorado puede demodular bien las señales y lograr el efecto deseado. A través de la simulación, se puede ver que todavía se puede usar en campos relacionados (como la modulación y). demodulación), pero para bucles bloqueados en fase, aún se puede usar en campos relacionados (como modulación y demodulación). Si la onda portadora tiene diferencias y desviaciones de frecuencia, la señal original ya no se puede demodular. En las simulaciones, se producen pérdidas en el bucle de bloqueo de fase si se reduce la sensibilidad del NCO. La comparación del osciloscopio muestra el juicio de salida y demodulación del código bipolar distinto de cero original, como se muestra en la Figura 8 (la abscisa del osciloscopio representa el eje del tiempo, el símbolo físico es t, la unidad es s y la magnitud física es 5 μs; la ordenada representa la intensidad de la señal). La secuencia de salida demodulada tiene un ligero retraso en comparación con la secuencia original, pero no es difícil encontrar que el circuito de recuperación de portadora de anillo cuadrado mejorado puede demodular con precisión la señal modulada. El retraso se debe al filtrado de paso bajo y al juicio de muestreo en el. módulo de demodulación.
6 Conclusión
Este artículo explica el principio de funcionamiento del bucle cuadrado de bloqueo de fase y se centra en sus ideas y procesos de diseño. Hoy en día, con el rápido desarrollo de las comunicaciones, simplificar aún más el bucle de bloqueo de fase proporciona un gran valor de referencia e ideas innovadoras para el desarrollo futuro, de modo que la aplicación de bucles cuadrados no se limita a entornos con bajas frecuencias portadoras de señal de entrada. implementado en condiciones más altas, y la estructura del bucle cuadrado de bloqueo de fase es más simple que el bucle de Costas.
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