NO178319B - Innretning for automatisk frekvenskontroll i koherente demodulatorer for M-QAM-modulasjonssystemer - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en innretning for automatisk frekvenskontroll i koherente demodulatorer, særlig for M-QAM-modulasj onssystemer.

Det er kjent at for å utføre koherent demodulasjon, er det ved mottaking nødvendig å rekonstruere en bærefrekvens som er synkron med modulasjonsfrekvensen.

Denne oppgave fullføres i demodulatoren ved hjelp av faselåste sløyfekretser (PLL-kretser) som er kjente i teknikken. Den faselåste sløyfes innfangingsbånd (capture band), dvs. det frekvensområde i hvilket den faselåste sløyfe låser bærebølgen, er imidlertid vanligvis mye smalere enn det frekvensområde som tillates for overføringsbærefrekvensen.

For å unngå denne mangel, består en metode som har vært kjent i en tid og som fremdeles er i bruk på grunn av sin enkelhet, i at det til PLL-styresignalets spenning tilføyes en spenning med trekantet bølgeform og en amplitude som tillater undersøkelse av hele variasjonsområdet av bærebølgen.

Når den frekvens som genereres i demodulatoren, er lik overføringsbærebølgens frekvens, låses den faselåste sløyfe og det trekantede signal deaktiveres.

Den store ulempe ved dette system er den fasegradient som innføres i den faselåste sløyfe, som er proporsjonal med trekantbølgefrekvensen og som, dersom den er for høy, til og med kan hindre låsing.

For å redusere fasegradienten, er det altså nødvendig å redusere trekantbølgefrekvensen, men når dette gjøres gjøres låsingen langsommere, slik at det innføres en gjenlåsingsforsin-kelse (relock-up delay) som er altfor stor, særlig ved tap av låsing av kort varighet, som følge av det selektive fadingsfeno-men.

Flere alternativer er tilgjengelige i den kjente teknikk for løsning av problemet med forsering av låsingstiden, og kan grupperes i hovedsaken i tre grunnkategorier med metoder for automatisk frekvenskontroll (AFC):

- differensiell AFC,

AFC med kryssprodukt,

AFC med diskret Fourier-transformasjon.

De kjente metoder er inngående diskutert i en artikkel av F.D. Natali "AFC Tracking Algorithms for Satellite Links", IEEE International Conference on Communications, Boston, 19.-22. juni 1983, til hvilken det kan henvises for en nærmere beskrivelse, og artikkelen angir gode automatiske frekvenskontrollsys-temer når det dreier seg om multippelfrekvensmodulasjon (MFSK) og differensiell fasemodulasjon (DPSK).

For multinivå-kvadraturamplitudemodulasjon (M-QAM) har disse metoder den ulempe at de avhenger av formen på spektret til det mottatte signal. Dersom dette spektrum har asymmetrier med hensyn til bærefrekvensen, oppstår det en styresignalforskyvning.

I M-QAM-modulasjonssystemer for midlere og høye overføringskapasiteter (symbolfrekvenser større enn 1 MHz) kan det mottatte spektrum oppvise kraftige asymmetrier som er fraværende i det utsendte overføringsspektrum, på grunn av multippelrefleksjoner på overføringskanalen (selektiv fadings-virkning). Dette forårsaker opptreden av høye forskyvningsspen-ninger, og følgelig mottakingsfrekvensvariasjoner som er større enn den faselåste sløyfes innfangingsbånd, hvilket gjør låsing av bærebølgen umulig.

Formålet med oppfinnelsen er derfor å unngå de ovennevnte ulemper og angi en innretning for automatisk frekvenskontroll i koherente demodulatorer, særlig for M-QAM-modulasjonssystemer, som har den grunnleggende egenskap at den er uavhengig av formen på det mottatte signalspektrum.

Innretningen som er gjenstand for oppfinnelsen, er basert på to antakelser: tap av låsing (lock-up) av bærebølgen skyldes atmosfæriske ustabilitetsvirkninger på overføringsmidlene, såsom selektiv fading; sådanne fenomener har kort varighet (noen få sekunder);

søking etter bærefrekvensen blir nødvendig etter temperaturvariasjoner i sendings- eller mottakingsoscillatorene; i dette tilfelle er lange perioder (selv flere timer) nødvendige for forekomsten av vesentlige temperaturvariasjoner.

Når mottakeren mister låsingen i korte tidsperioder, er det ikke nødvendig å utføre bærebølgesøking over hele variasjonsområdet, da det er rimelig å tro at frekvensen av den bærebølge som skal låses, når forstyrrelsesforholdene (selektiv fading) opphører, vil ha en verdi som ligger meget nær den verdi den hadde like før tap av låsingen. Ved forekomst av tap av låsing på grunn av selektiv fading lagres følgelig verdien av den mottatte bærefrekvens; i hele perioden med forstyrrelse holdes demodulatoroscillatorens frekvens nær (i innfangingsbåndet) den lagrede verdi, slik at bidraget på grunn av trekantbølgeformspen-ningen hindres; og ved opphør av forstyrrelsen finner låsingen sted meget raskt, nettopp fordi de to bærefrekvenser som ble mottatt og rekonstruert, allerede ligger meget nær hverandre.

Når imidlertid mottakeren mister låsingen i lange perioder, kan den verdi som den mottatte bærefrekvens vil ha ved tidspunktet for gjentatt låsing, ikke antas slik som i ovennevnte tilfelle, slik at spenningen med trekantbølgef orm adderes til den faselåste sløyfes styresignalspenning, slik at det tillates undersøkelse av hele variasjonsområdet for bærebølgen.

På denne måte påskyndes låsingsprosessen så mye som mulig nettopp i de tilfeller da synkronisme-gjenvinningstiden, dersom den i teknikken kjente sum med en trekantbølgef orm ble benyttet, ville være lengre enn varigheten av den forstyrrelse som forårsaket tapet av låsing. Den forbedring som oppnås med kretsen ifølge oppfinnelsen, er enda mer vesentlig ved raske forstyrrelser som følger nær etter hverandre i tid, hvor mellomrommet mellom to suksessive forstyrrelser faktisk ville være mindre enn den typiske låsingstid for kjente kretser, hvilket i praksis hindrer låsing i den totale tidsperiode for forstyrrelsen. Med kretsen ifølge oppfinnelsen er det mulig å låse bærebølgen mellom to suksessive forstyrrelser.

For oppnåelse av de angitte formål er gjenstanden for oppfinnelsen en innretning for automatisk frekvenskontroll i koherente demodulatorer, særlig for M-QAM-modulasjonssystemer, slik den er angitt i krav 1.

Ytterligere formål med og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå klarere av den etterfølgende, nærmere beskrivelse av et ikke-begrensende utførelseseksempel under henvisning til tegningen, der fig. 1 viser et forenklet skjema av en M-QAM-demodulator som omfatter en automatisk frekvenskontrollblokk som er gjenstand for oppfinnelsen, og fig. 2 viser en mulig utførel-sesform av kretsanordningen i den automatiske frekvenskontrollblokk.

På fig. 1 er M-QAM-demodulatoren av kjent type og

omfatter følgende kretsblokker:

To normale multiplikatorer Ml og M2 mottar på en første inngang det modulerte signal s(t), og på en andre inngang et rekonstruert bærebølgesignal FO som når frem til Ml 90° fasefor-skjøvet ved hjelp av en forsinkelseskrets DL.

Utgangssignalene fra Ml og M2 filtreres i to lavpass-filtre LPF1 og LPF2 som tilfører to basisbåndsignaler, komponen-ter henholdsvis i fase X og i kvadratur Y av det demodulerte signal, til en basisbånd-behandlingsblokk BBP som er av kjent type og som ikke vil bli ytterligere beskrevet da den ikke er gjenstand for oppfinnelsen.

BBP-blokken avgir et alarmsignal ALM, hvis logiske nivå tilfører momentan informasjon om demodulatorens låsingstilstand, og et analogt signal APC1 for styring av en normal spenningsstyrt oscillator VCO.

AFC betegner en automatisk frekvenskontrollblokk som er gjenstand for oppfinnelsen og som, på grunnlag av frekvensverdien av den rekonstruerte bærebølge FO og det logiske nivå av signalet ALM, avgir et analogt signal APC2 som i en normal adderer ADD adderes til signalet APC1. Sumsignalet APC er spenningsstyresig-nalet til oscillatoren VCO som genererer den rekonstruerte bærebølge FO.

Fig. 2 viser oppbygningen av den automatiske frekvenskontrollblokk AFC.

CNT1 betegner en n-bits teller som på klokke- eller taktinngangen mottar den rekonstruerte bærebølge FO som frembringes av VCO (fig. 1). CNT1 teller kontinuerlig de sykluser av bærebølgen FO som er inneholdt i en tidsperiode Tb, hvilket er perioden av det signal CK som tilføres til nullstillingsinngan-gen. Resultatet av hver telling, som utgjør et mål på frekvensen av bærebølgen FO, overføres til blokken FF1.

FF1 angir et register med n flipp-flopper eller vipper som lagrer hver telling som utføres av CNT1 i en tidsperiode Tb.

FF1 mottar signalet CK på taktinngangen.

FF2 angir et andre register med n vipper som lagrer de tellinger som allerede er lagret i FF1, med den samme frekvens av signalet CK tilført på taktinngangen, og som har en holdeinn-gang til hvilken alarmsignalet ALM som genereres av blokken BBP (fig. 1), tilføres.

Ved aktivering av signalet ALM fryses den siste telling som mottas fra FF1, i FF2, dvs. den siste frekvensverdi FO målt av CNT1 før fremkomsten av tapet av låsingstilstand detektert ved hjelp av endringen av det logiske nivå av signalet ALM. Tellingen forblir lagret i FF2 i hele perioden med aktivering av signalet ALM (tap av låsingstilstand). Den i FF2 lagrede telling tilføres til en inngang til en blokk CMP.

CMP angir en normal n-bits komparator som sammenlikner den løpende telling som mottas fra utgangen av FF1, med den telling som er lagret i FF2. Resultatet av sammenlikningen, som fremdeles er til stede, tilføres til en inngang til en blokk MUX.

MON angir en normal, monostabil krets som genererer en puls Ta, med fast varighet og heretter kalt ventetid, som starter fra øyeblikket for aktivering av alarmsignalet ALM som tilføres til kretsens inngang. Det signal som genereres av MON, tilføres til MUX-blokkens styreinngang.

MUX angir en normal multiplekser med to innganger som på én inngang mottar utgangssignalet fra CMP, og på en andre inngang mottar utgangssignalet fra en blokk CNT2. Under varigheten av hver ventetid Ta tilfører MUX resultatet av CMP-blokkens sammenlikning til blokken CNT2. Under resten av tiden kopler MUX-blokken inngangene og utgangene av CNT2 sammen.

CNT2 angir en normal m-bits opp/ned-teller med en u/d-inngang for styring av opp/ned-tellingsmodusen som er koplet til utgangen av MUX; en taktinngang til hvilken signalet CK tilføres; en virksomgjørelsesinngang som mottar signalet ALM som gjør tellingen virksom under tapet av låsingstilstanden; en slutt-tellings-utgang tc som er tilkoplet til MUX-blokkens andre inngang, og en m-bits utgang som transporterer den oppnådde telling og tilfører denne til en blokk DAC.

DAC angir en digital/analog-omformer som omformer den digitale tellingsinformasjon som mottas fra CNT2, til et analogt spenningsnivå som tilføres på utgangen APC2 til addereren ADD (fig. 1).

Endelig angir BT en normal tidsbasis som genererer taktsignalet CK med periode Tb.

Under drift, under låsingstilstanden, blokkerer det logiske nivå av signalet ALM utgangen av telleren CNT2 på den verdi som ble oppnådd i øyeblikket for gjentatt låsing. Dette har den virkning å fryse styrespenningsbidraget APC2, og etterlate bare signalet APC1 som den virkelige styring av oscillatoren VCO. I mellomtiden oppdateres registrene FF1 og FF2 kontinuerlig.

Ved aktivering av signalet ALM (begynnelse av tap av låsing) fryses innholdet av FF2. På FF2-blokkens utgang er det et mål på den rekonstruerte bærefrekvens FO som også er den bærefrekvens som ble mottatt før tap av låsing. Telleren CNT2 aktiveres og styres under hele varigheten av ventetiden Ta av resultatet av CMP-blokkens sammenlikning, uttrykt ved det utmatede, logiske nivå som endrer seg meget raskt etter selv små variasjoner i frekvens FO målt av CNT1.

CNT2 endrer tellingsretningen med like stor hurtighet.

Dersom tapet av låsingstilstand varer i en tidsperiode som er mindre^enn Ta (selektivt fadingstilfelle), er DAC-blokkens utgangssignal APC2 da slik at det holder den frekvens FO som genereres av VCO, meget nær den verdi som er lagret i FF2.

Ved slutten av forstyrrelsestilstanden vil verdien av bærefrekvensen av det mottatte signal s(t) sikkert ligge meget nær den verdi som det hadde umiddelbart før tapet, idet ingen andre vesentlige variasjonsfaktorer (termisk drift) har blandet seg inn.

Under disse forhold låses demodulatoren øyeblikkelig på grunn av at frekvensen FO ligger innenfor innfangingsbåndet Bc.

Dersom imidlertid frikoplingstilstanden (release condition) vedvarer utover ventetiden Ta, blir telleren CNT2 uavhengig, idet dens utgang tc via multiplekseren MUX koples direkte til inngangen u/d, slik at den tillates å generere vekslende opp- og ned-tellingssekvenser. På utgangen APC2 frembringes en trekantbølgeform som, addert til APC1, varierer frekvensen FO av utgangssignalet fra VCO i hele søkebåndet Br. Ved opphør av forstyrrelsen skjer låsing av VCO i løpet av en tidsperiode som nødvendigvis er lengre enn i ovennevnte tilfelle.

Når det gjelder dimensjoneringen av de to tellere CNT1 og CNT2, dvs. bestemmelsen av verdiene n og m, kan følgende angis.

Bærefrekvens-søketrinnet Fp avhenger av antallet m av biter i CNT2 og av variasjonsområdet av bærebølgen Br på grunnlag av relasjonen Fp = Br/2<m>.

Den frekvensmessige oppløsning Af avhenger av antallet av biter n i CNT1 og bærebølgens nominelle frekvens fo, på grunnlag av relasjonen Af = fo/2<n>.

For riktig drift av innretningen, og følgelig for dimensjoneringen av m og n, må man ha

Bc > Fp > Af,

hvor Bc er innfangingsbåndet.

For å bestemme perioden Tb for tidsbasisen BT slik at CNT ikke vil overskride den fulle skala, og på samme tid utnytte telleren på beste måte, må følgende gjelde:

2<n-u < Tb/To < 2n, med To = 1/fo.

Claims (4)

1. Innretning for automatisk frekvenskontroll i en koherent demodulator i et M-QAM-modulasjonssystem, omfattende en faselåst sløyfe med en spenningsstyrt oscillator, og en anordning for avgivelse av et faselåsingstilstandssignal, KARAKTERISERT VED at den omfatter en måleanordning (CNT1, FF1) for måling av den spenningsstyrte oscillators (VCO) oscillasjonsfrekvens, en lagringsanordning (FF2) for lagring av den nevnte måling i startøyeblikket for en låsingstilstand, en sammenlikningsanordning (CMP) for sammenlikning av utgangssignalene fra måleanordningen og lagringsanordningen, en telleanordning (CNT2) som aktiveres bare ved tap av låsingstilstander, og som teller opp eller ned på grunnlag av det logiske nivå på sammenlikningsanordningens utgang, i en fast ventetid (Ta) etter et tap av låsing, eller på grunnlag av en tilstand med maksimal oppnådd telling, under vedvaringstiden for det nevnte tap av låsingstilstand utover slutten av ventetiden, og en omformingsanordning (DAC) for omforming av tellean-ordningens telling til et analogt signal for styring av den spenningsstyrte oscillator.

2. Innretning ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at måleanordningen omfatter en første n-bits teller (CNT1) som nullstilles av et taktsignal (CK) og som teller periodene av den spenningsstyrte oscillators (VCO) oscillasjonsfrekvens (FO) som tilføres på taktinngangen, og et første n-cellet register (FF1) som synkroniseres av taktsignalet (CK) og som lagrer de telleresultater som tilføres til dette av den første teller (CNT1).

3. Innretning ifølge krav 1 eller 2, KARAKTERISERT VED at lagringsanordningen består av et andre n-cellet register (FF2) som synkroniseres av taktsignalet (CK) og som lagrer de nevnte tellingsresultater som tilføres av det første register (FF1), og fryser sitt innhold under varigheten av det nevnte faselåsingstilstandssignal (ALM).

4. Innretning ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at telle-anordningen omfatter en andre opp/ned-teller (CNT2) som aktiveres av faselåsingstilstandssignalet (ALM) og synkroniseres av taktsignalet (CK), og som på en utgang avgir et signal for oppnådd maksimumstelling og endrer telleretning på grunnlag av det logiske nivå på den ene av sine styreinnganger (u/d), en monostabil krets (MON) som genererer en puls (Ta) med fast varighet, med start fra begynnelsen av faselåsingstilstandssignalet (ALM) som tilføres på styreinngangen, og en multiplekser (MUX) som, styrt av pulsen (Ta) med fast varighet, til den andre tellers nevnte styreinngang (u/d) tilfører sammenlikningsanordningens utgangssignal under pulsen (Ta) med fast varighet, og det nevnte signal for oppnådd maksimumstelling i den resterende tid.