IT9021607A1 - Dispositivo per il controllo automatico di frequenza in demodulatori coerenti, per sistemi di modulazione m-qam - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione concerne un dispositivo per il controllo automatico di frequenza in demodulatori coerenti, specialmente per sistemi di modulazione M-QAM.

E' noto che per effettuare la demodulazione di tipo coerente è necessario ricostruire in ricezione una frequenza di portante sincrona con quella di modulazione.

Questo compito è assolto nel demodulatore da circuiti ad anello di aggancio di fase, noti nella tecnica come PLL (Phase Locked Loops). La banda di cattura del PLL, cioè l'intervallo di frequenze all'interno del quale il PLL riesce ad agganciare la portante, è però in genere molto più stretta del campo di variazione ammesso per la frequenza di portante di trasmissione .

Per ovviare a tale inconveniente, un metodo noto da tempo, ed ancora usato per la sua semplicità, consiste nel sommare alla tensione del segnale di controllo del PLL una tensione a forma d’onda triangolare, di ampiezza tale da permettere l'esplorazione dell'intero campo di variazione della portante. Quando la frequenza generata nel demodulatore eguaglia quella della portante di trasmissione, si determina l'aggancio del PLL ed il segnale triangolare viene disattivato.

Il grosso inconveniente di tale sistema è il gradiente di fase introdotto nel PLL, proporzionale alla frequenza dell'onda triangolare, che se troppo elevato può addirittura impedire l'aggancio. Per ridurre il gradiente di fase bisogna allora ridurre la frequenza dell'onda triangolare, ma cosi facendo si rallenta il processo di aggancio, introducendo un ritardo di riaggancio che risulta eccessivo soprattutto nei casi di perdita di aggancio di breve durata dovute al fenomeno di fading selettivo.

Sono note nella tecnica diverse alternative di soluzione al problema della velocizzazione del tempo di aggancio, riconducibili nella sostanza a tre categorie fondamentali di metodi di controllo automatico di frequenza (AFC):

- AFC differenziali;

- AFC a prodotto incrociato;

- AFC a trasformata discreta di Fourier.

Detti metodi noti, ampiamente trattati nell'articolo di F.D.Natali: "AFC Tracking Algorithms for Satellite Links", IEEE International Conference on Communications, Boston, 19-22 giugno 1983, a cui si rimanda per una descrizione dettagliata, risultano buoni sistemi di controllo automatico di frequenza nel caso di modulazioni di tipo MFSK (modulazione multipla di frequenza) , e DPSK (modulazione di fase differenziale).

Per modulazioni di tipo M-QAM (modulazione multilivello in quadratura) detti metodi hanno lo svantaggio di dipendere dalla forma dello spettro del segnale ricevuto. Se tale spettro presenta asimmetrie rispetto alla frequenza di portante, nasce una tensione di offset nel segnale di controllo.

Nei sistemi di modulazione M-QAM per medie ed alte capacità di trasmissione (per frequenze di simbolo maggiori di 1MHz), lo spettro ricevuto può accusare forti asimmetrie, assenti nello spettro emesso in trasmissione, a seguito di riflessioni multiple sul canale di trasmissione (effetto di fading selettivo). Ciò causa l'insorgenza di tensioni di offset elevate e quindi variazioni di frequenza in ricezione maggiori della banda di cattura del PLL, rendendo impossibile l'aggancio della portante stessa.

Pertanto scopo della presente invenzione è quello di superare gli inconvenienti suddetti e di indicare un dispositivo per il controllo automatico di frequenza in demodulatori coerenti, specialmente per sistemi di modulazione M-QAM, che ha la caratteristica fondamentale di essere indipendente dalla forma dello spettro del segnale ricevuto.

Il dispositivo dell'invenzione si basa su due presupposti:

- la perdita di aggancio della portante è dovuta ad effetti di instabilità atmosferiche sul mezzo trasmissivo, tipo fading selettivo: tali fenomeni hanno breve durata (qualche secondo); - la ricerca della frequenza di portante si rende necessaria in seguito a variazioni termiche negli oscillatori di trasmissione o ricezione: in questi casi sono necessari tempi lunghi (anche qualche ora) affinchè si verifichino apprezzabili variazioni termiche.

Quando il ricevitore perde l'aggancio per tempi brevi, non è necessario effettuare la ricerca della portante su tutto il campo di variazione, poiché è ragionevole pensare che quando le condizioni di perturbazione (fading selettivo) cessano, la frequenza della portante da agganciare avrà un valore molto prossimo a quello che aveva poco prima della perdita di aggancio. Quindi, al verificarsi della perdita di aggancio dovuta a fading selettivo, viene memorizzato il valore della frequenza di portante ricevuta; per tutto l'intervallo di perturbazione la frequenza dell'oscillatore del demodulatore è mantenuta prossima (all'interno della banda di cattura) al valore memorizzato, inibendo il contributo dovuto alla tensione a forma d'onda triangolare; al cessare della perturbazione, l'aggancio avviene molto rapidamente, proprio perchè le due frequenze di portante ricevuta e ricostruita sono già molto prossime tra loro.

Quando invece il ricevitore perde l'aggancio per tempi lunghi, il valore che avrà la frequenza di portante ricevuta al momento del riaggancio non è più ipotizzabile come nel caso precedente, per cui viene sommata alla tensione del segnale di controllo del PLL la tensione a forma d'onda triangolare, consentendo l'esplorazione dell'intero campo di variazione della portante. In questo modo viene velocizzato al massimo il processo di aggancio proprio nei casi in cui, se si utilizzasse la tecnica nota della somma di una forma d'onda triangolare, il tempo di recupero del sincronismo sarebbe più lungo della durata della perturbazione che ha determinato lo sgancio. Il miglioramento ottenuto col circuito dell'invenzione è ancora più apprezzabile nel caso di perturbazioni rapide che si susseguono ravvicinate nel tempo: infatti l'intervallo tra due perturbazioni successive sarebbe minore del tempo di riaggancio tipico dei circuiti noti, inibendo in pratica l'aggancio per l'intervallo di tempo complessivo di perturbazione. Col circuito oggetto dell'invenzione invece si riesce a riagganciare la portante tra due successive perturbazioni.

Per conseguire tali scopi la presente invenzione ha per oggetto un dispositivo per il controllo automatico di frequenza in demodulatori coerenti, specialmente per sistemi di modulazione M-QAM, come descritto nella rivendicazione 1.

Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione particolareggiata che segue di un esempio di realizzazione della stessa e dai disegni annessi dati a puro titolo di esempio esplicativo e non limitativo, in cui:

nella fig. 1 è mostrato uno schema semplificato di un demodulatore M-QAM che comprende un blocco di controllo automatico di frequenza oggetto dell'invenzione;

nella fig. 2 è mostrata una possibile forma di realizzazione circuitale del blocco di controllo automatico di frequenza.

In fig. 1 il demodulatore M-QAM, di tipo noto, comprende i seguenti blocchi circuitali.

Due normali moltiplicatori MI ed M2 ricevono ad un ingresso il segnale modulato s(t), e ad un secondo ingresso un segnale FO di portante ricostruita, che ad Mi perviene sfasato di 90° tramite un circuito di ritardo DL.

Le uscite di MI ed M2 sono filtrate in due filtri passa-basso, rispettivamente LPF1 ed LPF2, che forniscono due segnali in banda base , componenti rispettivamente in fase X ed in quadratura Y del segnale demodulato, ad un blocco di elaborazione in banda base BBP di tipo noto, che non essendo oggetto della presente invenzione, non verrà descritto nel seguito .

Il blocco BBP emette un segnale di allarme ΑLM, il cui livello logico fornisce l'informazione istantanea della condizione di aggancio/sgancio del demodulatore, ed un segnale analogico APC1 per il controllo di un normale oscillatore controllato in tensione VCO.

Con AFC è indicato un blocco di controllo automatico di frequenza oggetto dell'invenzione, che in base alla lettura del valore di frequenza della portante ricostruita FO, ed in base al livello logico del segnale ALM, emette un segnale analogico APC2 che viene sommato in un normale sommatore ADD al segnale APC1. Il segnale somma APC è il segnale di controllo di tensione dell'oscillatore VCO, il quale genera la portante ricostruita FO.

In fig. 2 è evidenziata la struttura del blocco AFC.

Con CNT1 è indicato un contatore ad n bit, che riceve all'ingresso di orologio (clock) la portante ricostruita FO, generata da VCO (fig. 1); CNT1 conta in continuazione i cicli della portante FO contenuti in un periodo di tempo Tb, che è il periodo del segnale CK applicato all'ingresso di ripristino (reset). Il risultato di ogni conteggio, che costituisce una misura della frequenza della portante FO, viene trasferito nel blocco FF1.

Con FF1 è indicato un registro ad n flip-flop che memorizza ogni conteggio eseguito da CNT1 per un intervallo di tempo Tb. FF1 riceve all'ingresso di orologio il segnale CK.

Con FF2 è indicato un secondo registro ad n flip-flop che rimemorizza i conteggi già memorizzati in FF1 con la stessa cadenza del segnale CK applicato all'ingresso di orologio, e che ha un ingresso di mantenimento (hold) a cui è applicato il segnale di allarme ALM, generato dal blocco BBP (fig. 1). All'attivazione del segnale ALM, in FF2 è congelato l'ultimo conteggio ricevuto da FF1, cioè l'ultimo valore di frequenza FO misurato da CNTl prima dell'insorgere della condizione di sgancio rivelata dal cambio di stato logico del segnale ALM. Il conteggio rimane memorizzato in FF2 per tutto il tempo di attivazione del segnale ALM (condizione di sgancio) . Il conteggio memorizzato in FF2 è fornito ad un ingresso del blocco CMP.

Con CMP è indicato un normale comparatore ad n bit che confronta il conteggio corrente ricevuto dall'uscita di FF1, con il conteggio memorizzato in FF2: il risultato della comparazione, sempre presente, è fornito ad un ingresso del blocco MUX.

Con MON è indicato un normale circuito monostabile che genera un impulso Ta di durata fissa, denominata nel seguito tempo di attesa, a partire dall'istante in cui si verifica un'attivazione del segnale di allarme ALM applicato al suo ingresso. Il segnale generato da MON è fornito all’ingresso di comando di MUX.

Con MUX è indicato un normale multiplexer a due ingressi che riceve ad un ingresso l'uscita di CMP e ad un secondo ingresso un'uscita di CNT2. Per la durata di ogni tempo di attesa Ta, MUX fornisce al blocco CNT2 il risultato della comparazione di CMP. Per il restante tempo invece, MUX collega tra loro un ingresso ed un'uscita di CNT2.

Con CNT2 è indicato un normale contatore up/down ad m bit, dotato di: un ingresso u/d di comando del modo crescente o decrescente di conteggio, a cui è portata l'uscita di MUX; un ingresso di orologio, a cui è applicato il segnale CK; un ingresso di abilitazione, a cui perviene il segnale ALM che abilita il conteggio durante la condizione di sgancio; un'uscita di fine conteggio tc che è portata al secondo Ingresso di MUX, e un'uscita a ra bit che reca ad ogni istante il valore di conteggio raggiunto, fornito al blocco DAC.

Con DAC è indicato un convertitore digitale/analogico che trasforma l’informazione digitale di conteggio ricevuta da CNT2 in un livello analogico di tensione, fornito sull'uscita APC2 al sommatore ADD (fig. 1).

Infine con BT è indicata una normale base tempi che genera il segnale di orologio CK di periodo Tb.

Nel funzionamento, durante la condizione di aggancio, il livello logico di ALM blocca l'uscita del contatore CNT2 al valore raggiunto all'istante di riaggancio: ciò ha l'effetto di congelare il contributo di tensione di controllo APC2, e di lasciare al solo segnale APCl il controllo effettivo dell'oscillatore VCO. Nel frattempo i registri FF1 ed FF2 vengono continuamente aggiornati.

All'attivazione del segnale ALM (insorgere di uno sgancio), il contenuto di FF2 viene congelato: alla sua uscita è quindi presente la misura della frequenza di portante ricostruita FO, che è anche quella della portante ricevuta, prima dello sgancio. E' invece attivato il contatore CNT2 che, per tutta la durata del tempo di attesa Ta, è controllato dal risultato della comparazione di CMP, espresso dal livello logico in uscita che cambia abbastanza rapidamente in seguito a variazioni anche minime della frequenza FO misurata da CNT1. CNT2 cambia altrettanto rapidamente direzione di conteggio.

Se la condizione di sgancio dura per un tempo inferiore a Ta (caso di fading selettivo), l'uscita APC2 di DAC è quindi tale da mantenere la frequenza FO generata da VCO molto vicina al valore memorizzato in FF2.

Al termine delle condizioni di perturbazione, il valore di frequenza di portante del segnale ricevuto s(t) sarà sicuramente molto prossimo a quello che aveva subito prima dello sgancio, non essendo intervenuti in un così breve tempo altri apprezzabili fattori di variazione (derive termiche). In queste condizioni il demodulatore aggancia immediatamente, poiché la frequenza FO si trova entro la banda di cattura Bc. Se invece la condizione di sgancio persiste oltre il tempo di attesa Ta, il contatore CNT2 diventa autonomo: tramite il multiplexer MUX, la sua uscita tc è direttamente connessa all'ingresso u/d, consentendogli di generare sequenze di conteggio alternate crescenti e decrescenti. All'uscita APC2 si ingenera una forma d'onda triangolare che sommata a APC1 fa variare la frequenza FO dell'uscita di VCO nell'intera banda di ricerca Br. Al cessare della perturbazione, l'aggancio di VCO avviene in un tempo necessariamente più lungo del caso precedente .

Per quanto riguarda il dimensionamento dei due contatori CNTl e CNT2 , cioè la determinazione dei valori di n ed m, si può precisare quanto segue.

Il passo di ricerca Fp della frequenza della portante dipende dal numero m di bit di CNT2 e dal campo di variazione della portante Br in base alla relazione Fp = Br/2m .

La risoluzione frequenzimetrica Af dipente dal numero di bit n di CNT1 e dalla frequenza nominale fo della portante in base alla relazione Af - fo/2n.

Per un corretto funzionamento del dispositivo, e quindi per il dimensionamento di m ed n, si deve avere:

dove Bc è la banda di cattura.

Per determinare il periodo Tb della base dei tempi BT, affinchè CNT1 non superi il fondo scala e contemporaneamente sfruttare al meglio il contatore, è bene avere:

Claims (4)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo per il controllo automatico di frequenza, in un demodulatore coerente di un sistema di modulazione M-QAM comprendente un anello ad aggancio di fase con oscillatore controllato in tensione e mezzi di emissione di un segnale di condizione di aggancio o sgancio di fase, caratterizzato da ciò che comprende: - mezzi di misura (CNT1, FF1) della frequenza di oscillazione di detto oscillatore controllato in tensione (VCO); - mezzi di memorizzazione (FF2) di detta misura all'istante di inizio di una condizione di sgancio; - mezzi di comparazione (CMP) delle uscite di detti mezzi di misura e detti mezzi di memorizzazione; - mezzi di conteggio (CNT2), attivati nella sola condizione di sgancio , che contano in avanti o indietro, in base al livello logico all'uscita di detti mezzi di comparazione, per un tempo di attesa fisso (Ta) susseguente ad uno sgancio, o in base ad una condizione di massimo conteggio raggiunto, per il tempo di persistenza di detta condizione di sgancio oltre la fine di detto tempo di attesa; - mezzi di conversione (DAC) del conteggio di detti mezzi di conteggio in un segnale analogico per il controllo di detto oscillatore controllato in tensione.
2. 2. Dispositivo per il controllo automatico di frequenza come nella rivendicazione 1, caratterizzato da ciò che detti mezzi di misura comprendono: - un primo contatore (CNTl) ad n bit, ripristinato da un segnale di orologio (CK), che conta i periodi della frequenza di oscillazione (FO) di detto oscillatore controllato in tensione (VCO) applicata all'ingresso di orologio; - un primo registro ad n celle (FF1), sincronizzato da detto segnale di orologio (CK), che memorizza i risultati di conteggio fornitigli da detto primo contatore (CNTl).
3. 3. Dispositivo per il controllo automatico di frequenza come nella rivendicazione 1 o 2, caratterizzato da ciò che detti mezzi di memorizzazione sono costituiti da un secondo registro ad n celle (FF2) che, sincronizzato da detto segnale di orologio (CK), memorizza detti risultati di conteggio fornitigli da detto primo registro (FF1), e congela il suo contenuto per la durata di detto segnale di condizione di sgancio di fase (ALM).
4. 4. Dispositivo per il controllo automatico di frequenza come nella rivendicazione 1, caratterizzato da ciò che detti mezzi di conteggio comprendono: un secondo contatore (CNT2) del tipo avanti/indietro, attivato da detto segnale di condizione di sgancio di fase (ALM) e sincronizzato da detto segnale di orologio (CK), che fornisce ad un'uscita un segnale di massimo conteggio raggiunto e che cambia direzione di conteggio in base al livello logico presente ad un suo ingresso di comando (u/d); - un circuito monostabile (MON) che genera un impulso di durata fissa (Ta) a partire dall'inizio di detto segnale di condizione di sgancio di fase (AIM), applicato all'ingresso di comando; - un multiplexer (MUX) che, comandato da detto impulso di durata fissa (Ta), fornisce a detto ingresso di comando (u/d) del secondo contatore l'uscita di detti mezzi di comparazione, durante detto impulso di durata fissa (Ta), e detto segnale di massimo conteggio raggiunto per il restante tempo.