Způsob synchronizace vzorkovacího hodinového signálu s přijímaným datovým signálem a zařízení k provádění tohoto způsobu

Oblast techniky

Vynález se obecně týká radiotelefonních komunikačních systémů, zejména způsobu synchronizace vzorkovacího hodinového signálu s přijímaným datovým signálem pro použití v radiotelefonních komunikačních systémech a zařízení k prováděn tohoto způsobu.

Dosavadní stav techniky

V současné době se v oblasti vysokofrekvenčních komunikací zvyšují požadavky na vysokorychlostní datové komunikace a komunikace s digitálně šifrovaným hlasem. Protože vysokofrekvenční spektrum je inherentně omezené, je třeba použít novou systémovou koncentraci a organizační opatření pro uspokojení zvýšených požadavků. Jeden takový systém, který nabízí účinnější využití spektra a zvýšenou kapacitu, je systém s vícenásobným přístupem s časovým dělením (TDMA).

Ve své nejjednodušší formě systém TDMA sestává z vysílací základnové stanice, která je schopná časově multiplexovat zprávy alespoň od dvou uživatelů do jediného vysokofrekvenčního kanálu a jedné nebo více vzdálených přijímacích stanic, schopných přijímat alespoň jednu z časově multiplexovaných zpráv. Přijímací stanice by mohla typicky být mobilní nebo přenosný radiotelefon, schopný vysílat TDMA zprávu do základnové stanice na druhém vysokofrekvenčním kanále.

V systému TDMA, podobně jako ve většině digitálních komunikačních systémů, je nutné v přijímací stanici vytvořit referenční hodiny, které jsou průběžně synchronizovány s vysílacími hodinami, za účelem přesné obnovy digitálních dat, přenášených mezi těmito dvěma body. Průběžná bitová synchronizace, tak jak je zde použitá, znamená, že kmitočet a fáze přijímaného hodinového signálu musí přesně sledovat kmitočet a fázi vysílaných hodin.

Udržování bitové synchronizace v mobilním komunikačním kanálu může být obtížné zejména díky vícecestnému úniku. Kromě sledování driftu mezi hodinami mobilní a základnové stanice musí být mechanismus obnovy hodin dostatečně odolný sumu, takže neztrácí snadno synchronizaci během období zhoršeného poměru signál-šum, způsobeného únikem. Ideální obvod obnovy hodin v mobilním TDMA systému by měl mít rychlé počáteční symbolové zasynchronizování a dále by měl průběžně udržovat synchronizaci s hodinami základny, dokonce i během období hlubokého úniku signálu.

Jedna technika obnovy hodin, která byla vyvinuta, obsahuje obvod nastavení předbíhající/opožděné fáze s dvojitou šířkou pásma smyčky. Pro získání hodin z přijatého datového signálu používá systém řídicí smyčky s předem určenou šířkou pásma zachycení. Šířka pásma zachycení je velká, což dovoluje rychlé zachycení symbolového časování z přijímaného datového signálu. Velká šířka pásma zachycení má však za následek značný časový neklid v ustáleném stavu. Pro zlepšené chování v ustáleném stavu se proto používá užší šířka pásma sledování. Toto použití dvojité šířky pásma je poměrně složité na provedení, vyžaduje indikátory stavu zachycování a ustáleného stavu, jakož i přepínatelnou šířku pásma smyčky. Kromě zvýšené složitosti provedení má obvyklý přístup s předbíhající/opožděnou fází s dvojitou šířkou pásma některé problémy, spojené sjeho chováním. Zaprvé může být počáteční zachycení značně zpožděno díky nesprávné indikaci zavěšení, způsobené náhodným šumem nebo rušením. Za druhé, když se ztratí synchronizace následkem úniku nebo výpadku signálu, může být opětné zachycení dosti pomalé, jestliže obvod nedetekuje ztrátu zavěšení. Konečně, existence pouze

-1 CZ 285354 B6 jednoho nastavení předbíhající/opožděné fáze inherentně omezuje rychlost počátečního zachycení, dokonce i když nejsou jiné problémy.

Je tedy žádoucí, aby bylo vytvořeno zařízení pro obnovu hodin s jednoduchým provedením a rychlým zachycením symbolového časování.

Podstata vynálezu

Předkládaný vynález vytváří způsob synchronizace vzorkovacího hodinového signálu s přijímaným datovým signálem. Při tomto způsobu obnovy hodin se generuje několik hodinových signálů a každý tento hodinový signál má specifickou fázi. Pro umožnění rychlého počátečního zachycení se dva z těchto hodinových signálů fázově liší o jednu polovinu symbolového intervalu. Fáze přijímaného signálu se srovnává s fází každého z generovaných hodinových signálů. Dále se generují chybové signály, představující rozdíl mezi fází přijatého datového signálu a fází každého hodinového signálu. Vzorkovací hodinový signál se generuje s optimální fází, což je určeno chybovými signály.

Přehled obrázků na výkrese

Obr. 1 je blokové schéma radiotelefonního komunikačního systému podle předkládaného vynálezu.

Obr. 2je diagram oka dat modulovaných π/4 QPSK (kvadratumí modulace s fázovým posunem π/4) na výstupu diferenciálního dekodéru.

Obr. 3 je blokové schéma obvodu obnovy hodin podle předkládaného vynálezu.

Obr. 4 je diagram, znázorňující hodiny s vícenásobným fázovým posunem, použité v předkládaném vynálezu.

Obr. 5 je příklad nerovnoměrných vzorkovacích hodin, kombinujících jednotlivé hodiny z obr. 4 podle předkládaného vynálezu.

Obr. 6 je grafické znázornění vlastností zachycování u obvodu obnovy hodin s počátečním posuvem o polovinu symbolu podle předkládaného vynálezu.

Obr. 7 je grafické znázornění vlastností zachycování u obvodu obnovy hodin s rovnoměrně rozloženým počátečním posunem podle předkládaného vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Výhodné provedení vynálezu obsahuje digitální přijímač radiotelefonu. Tento digitální přijímač obsahuje rozhodování řízený obvodem obnovy hodin, použitý při demodulaci přijímaného signálu. Obvod obnovy hodin může posouvat fázi vzorkovacích hodin o tři různé přírůstky, včetně nastavení o jednu polovinu symbolu. Tato vlastnost zajišťuje rychlé zachycení správné vzorkovací fáze a odpovídající chování v ustáleném stavu, bez složitosti obvyklého řešení s dvojí šířkou pásma. Navíc se tato technika snadno realizuje buď digitálním signálním procesorem (DSP) nebo digitálním logickým obvodem.

-2 CZ 285354 B6

Obr. 1 je blokové schéma radiotelefonního systému, který využívá předkládaný vynález. V tomto radiotelefonním systému pevný vysílač s přijímačem 103 vysílá a přijímá vysokofrekvenční signály do a z mobilních a přenosných radiotelefonů, nacházejících se ve vymezené zeměpisné oblasti. Radiotelefon 101 je jeden takový radiotelefon, obsluhovaný pevným vysílačem s přijímačem 103.

Při přijímání signálu z pevného vysílače s přijímačem 103 používá radiotelefon 101 anténu 105 pro spojení s vysokofrekvenčním signálem a pro přeměnu vysokofrekvenčního signálu na elektrický vysokofrekvenční signál 137. Tento elektrický vysokofrekvenční signál 137 je přijímán přijímačem 111 za účelem použití v radiotelefonu 101. Tento přijímač 111 generuje mezifrekvenční signál 115. Tento mezifrekvenční signál 115 vstupuje do fázového demodulátoru 119. Z tohoto fázového demodulátoru 119 vystupuje fázově demodulovaný signál 131 za účelem použití v obvodu 127 obnovy hodin a v symbolovém obnovovači 129. Z obvodu 127 obnovy hodin vystupují do symbolového obnovovače 129 hodiny 139 ve středním bodě. Obvod 127 obnovy hodin používá fázově demodulovaný signál 131 pro obnovu hodin. Fázově demodulovaný signál 131 je rovněž použit jako přijatý datový signál pro symbolové obnovovač 129. Ze symbolového obnovovače 129 vystupuje symbolový signál 133 pro procesor 121. Tento procesor 121 převádí symbolový signál 133 na hlasový a/nebo datový signál pro uživatelské rozhraní 125. Uživatelské rozhraní 125 obsahuje mikrofon, reproduktor a skupinovou klávesnici.

Při vysílání vysokofrekvenčních signálů z přenosného radiotelefonu 101 k pevnému vysílači s přijímačem 103 jsou hlasové a/nebo datové signály z uživatelského rozhraní 125 zpracovány procesorem 121. Zpracované signály vstupují do vysílače 109. Vysílač 109 přemění zpracované signály na elektrické vysokofrekvenční signály. Tyto elektrické vysokofrekvenční signály jsou anténou 105 přeměněny na vysokofrekvenční signály a vyslány. Tyto vysokofrekvenční signály jsou přijímány pevným vysílačem s přijímačem 103, který tvoří rozhraní pro signály pozemního telefonu.

Obr. 2 zobrazuje diagram oka signálu π/4 QPSK. na výstupu diferenciálního detektoru 119. Tento signál představuje data na výstupu fázově demodulovaného signálu 131. Pro přesnou obnovu symbolů, přenášených mezi vysílačem s přijímačem 103 a přenosným radiotelefonem 101, by měly vzorkovací hodiny 139 vzorkovat přijímaný datový signál 131 v optimálním vzorkovacím bodě nebo jeho blízkosti, jak je znázorněno na obr. 2. Vzorkování v jiném místě než optimálním může způsobit zvýšení bitové chybovosti (BER).

Obr. 3 je podrobné blokové schéma obvodu 127 obnovy hodin, použitého ve výhodném provedení vynálezu. Tento obvod 127 obnovy hodin používá výstupní signál 131 fázového demodulátoru 119 pro obnovu hodinových signálů. Ve výhodném provedení generuje obvod 331 generace hodin čtyři jednotlivé hodinové signály 339, 341, 343, 345. Tyto hodiny jsou použity pro vzorkování s pamětí výstupního signálu y(t) 131 fázového demodulátoru 119.

Jiná, stejně vhodná, provedení předkládaného vynálezu mohou generovat dva nebo více hodinových signálů pro nastavení fáze podle tohoto vynálezu.

Vzájemné fáze čtyř hodinových signálů podle výhodného provedení jsou znázorněny na obr. 4. Správně časový signál 405 má jeden hodinový pulz v každém symbolovém intervalu. Předbíhající hodinový signál 407 generuje hodinový pulz v intervalech stejných jako jsou intervaly správně časového signálu 405. ale fázově posunutý o 1/8 symbolového intervalu před správně časovaným signálem 405. Opožděný hodinový signál 403 má stejný kmitočet a je opožděn o 1/8 symbolového intervalu za správně časovaným signálem 405. Hodinový signál 401 s ofsetem poloviny symbolu má stejný kmitočet jako správně časovaný signál 405 a je posunut o 1/2 symbolového intervalu. Mohou být použita i jiná, stejně vhodná provedení s různými fázovými ofsety, ale jsou stále považována za spadající do rozsahu tohoto vynálezu.

-3 CZ 285354 B6

Tyto hodinové signály jsou použity ke vzorkování výstupního signálu 131 fázového demodulátoru 119 vzorkovacími obvody 303. 305. 307. 309 s pamětí. Vzorkované signály potom vstupují do kombinace obnovovače a sčítačky za účelem vytvoření chybových signálů 347, 349.

351. 353. Chybový signál je tvořen rozdílem mezi vzorkovaným výstupním signálem detektoru a nejbližším odpovídajícím rozhodovacím bodem, to je výstupem obvolovače.

Chybové signály 347. 349. 351, 353 vstupují do nastavovacího obvodu 327 fáze vzorkování. Tento nastavovací obvod 327 fáze vzorkování je použit pro urychlení nebo zpoždění čtyř symbolových hodin za účelem minimalizace chyby ve vzorkovacím bodě se správným časováním. Jestliže chybové signály indikují, že je požadovaná změna fáze vzorkování, vydá nastavovací obvod 327 fáze vzorkování na svém výstupu jeden ze tří možných povelů nastavení hodin: „posuň dopředu“, „posuň dozadu“ nebo „posuň o polovinu symbolu“. Povel posunutí dopředu způsobí, že se čtyři symbolové hodiny 339, 341. 343. 345 posunou dopředu o 1/8 doby trvání symbolu. Povel posunutí dozadu zpozdí všechny čtyři symbolové hodiny o 1/8 doby trvání symbolu. Podobně povel posunutí o polovinu symbolu posune všechny symbolové hodiny o 1/2 doby trvání symbolu. Obvod 331 generace hodin má rovněž výstup dalších správně časovaných hodin, nazývaných vzorkovací hodinový signál 139, který je použit symbolovým obnovovačem 129 z obr. 1.

Na obr. 3 je pro snadné znázornění zobrazeny čtyři jednotlivé obnovovače. Stejně vhodné uspořádání může kombinovat symbolový obnovovač 129 a symbolový obnovovač 313 se správným časováním, čímž se zjednoduší obvody, potřebné pro obnovení hodin.

Nerovnoměrné vzorkovací hodiny 501 z obr. 5 jsou použity pro vzorkování fáze ve fázovém demodulátoru 119. Jsou tvořeny provedením logické operace NEBO na čtyři jednotlivé hodiny 401. 403. 405, 407.

Obvyklé techniky obnovy hodin řízené rozhodováním dovolují nastavování hodin na základě odvozené chybové informace. Typické provedení by například dovolilo předbíhající a opožděné nastavení hodin o ± 1/8 symbolového intervalu. Toto řešení by zajistilo rozlišení ± 1/16 doby trvání symbolu, což je přiměřené pro většinu systémů digitální modulace. Nicméně pro velké počáteční časové chyby způsobí toto běžné řešení obecně velmi pomalé zachycování. Toto pomalé zachycování má dvě základní příčiny: (1) protože je povoleno pouze předbíhající a opožděné nastavování hodin, mohou být potřebná až čtyři nastavení o 1/8 doby trvání symbolu pro opravu počátečního časového ofsetu; a (2) existuje kvazistabilní stav chybného zavěšení v bodě, kde je ofset 1/2 doby trvání symbolu, což může podstatně prodloužit dobu zachycování, kdykoli je počáteční časová chyba okolo 1/2 doby trvání symbolu.

Popisovaný vynález řeší oba tyto problémy spojené s obvyklým řešením obnovy pomocí předbíhajících/opožděných hodin tím, že umožňuje navíc k předbíhajícímu a opožděnému nastavení ještě nastavení hodin posunutých o 1/2 doby trvání symbolu. To je provedeno použitím správně časovaných, předbíhajících a opožděných hodin a hodin s ofsetem 1/2 doby trvání symbolu, které jsou označeny signály 405, 407, 403 a 401, v obvodu obnovy hodin, zobrazeném na obr. 3.

Zachycovací vlastnosti zde popsaného navrženého schématu obnovy hodin byly simulovány a porovnány s obvyklejším řešením obnovy pomocí předbíhajících/opožděných hodin pro systém s π/4 QPSK s detekcí, založenou na omezovači-diskriminátoru. Toto obvyklé řešení provádí nastavení předbíhajících a opožděných hodin o 1/8 symbolového intervalu na základě odvozené chybové informace. Pro zajištění správného porovnání byly zvoleny šířky pásem smyček obou řešení tak, aby dávaly stejný časový neklid v ustáleném stavu.

-4CZ 285354 B6

Zachycovací vlastnosti byly kvantifikovány měřením efektivní hodnoty chyby hodin v závislosti na čase pro statický kanál při poměrech signál-šum, které způsobují chybovost (BER) v ustáleném stavu 10'² a 10’⁶. Výsledky jsou znázorněny na obr. 6. Grafy 601 a 603 reprezentují obvyklý způsob s předbíhajícími/opožděnými hodinami při chybovostech v ustáleném stavu 10’² a 10‘⁶. Grafy 605 a 607 reprezentují předkládaný vynález při chybovostech v ustáleném stavu 10’ ² a 10^-6. Obr. 6 reprezentuje výsledky pro počáteční časovou chybu 1/2 doby trvání symbolu (nejhorší případ). Jak výsledky jasně ukazují, předkládaný vynález nabízí významné zlepšení vlastností oproti technice s předbíhajícími/opožděnými hodinami. Obr. 7 opakuje výsledky z obr. 6 pro rovnoměrně rozdělenou počáteční časovou chybu. Grafy 701 a 703 odpovídají běžné technice s předbíhajícími/opožděnými hodinami a grafy 705 a 707 reprezentují předkládaný vynález. Tyto výsledky opět ukazují významné zlepšení.