PT92600B - Processo para o controlo automatico digital da frequencia em ondas sinusoidais puras e aparelho para a sua realizacao - Google Patents
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Description
A invenção refere-se a ua proceseo e a um aparelho para o controlo de frequência automático (ΑΓΓ) de ondas sinusoidais puras (T‘3’7). C processo consiste e;s ss discriminar a fim de se detectar as diferenças de frequência entre uma onda sinusoidal pura recebida e uma forma de onda de re· fersncia (20): se integrar as diferenças de frequência a fim de se obter o valor médio das diferenças (30)j e se regular (4G) a frequência de referência (30) para eliminar a diferen ça de frequência. Este processo cor-prsende ainda as op;raçes que consistem em se digitar, em quadratura, a onda sinu· soidal pura recebida (70) se misturar (50) a onda sinusoidal pura recebida com uma forma de onda sinusoidal complexa de referência, para se transpor a onda sinusoidal pura para fita de base se filtrar em quadrarura (50) a onda sinusoidal mista se discri ‘inar (20) por meio de produ .os cruzados, a fim de se detectar as diferenças de freouência entre uma onda sinusoidal uura recebida e a forma de onda de referencia
se integrarem (30) as diferenças de frequência para se obter a média das diferenças, se calcular (100/110) selectivamente a média/variancia (90) entre a onda sinusoidal pura e a frequência de referência e se ajustar (40) a frequência de referência de um oscilador (80) controlado pela tensão para eliminar a diferença de frequência.
Área da invenção
A presente invenção refere-se ao controlo automático da frequência (APC). Ifais especif icamente, esta invenção refere-se a processos e aparelhos para o controlo automático digital da frequência (APO) em ondas sinusoidais puras (?3L).
Fundamentos da invenção
A necessidade de um controlo automático 3a frequência (AFC) na detecção de forma coerente dos sinais modulados ea fase surge devido ao facto de que mesmo pecuenos desvios de frequência entre as frequências de referência do aparelho transmissor e do aparelho receptor podem resultar num número significativo de erros de dados detecta'os. Para demonstrar este problema, considere-se o seguinte exemplo. Suponha-se que se enviam dados a uma velocidade de dados de 300 Eb/s usando-se a manipulação por chave de desvio mínimo (KSE) (ou uma variante deste formato de modulação, como a manipulação por chave de desvio mínimo segundo Causs (crSf) modulação de frequência dominada generalizada (TFE) e outros métodos) num sistema de acesso múltiplo por divisão do tempo empregando ranhuras de tempo 0,5 mseg. de duração. Daí que uma ranhura de tempo é constituída por (300 Zb/s) x (0,5 mseg) = 150 bits.
Suponha-se ainda que o desvio de fase entre o apa-
relho transmissor e o aparelho receptor é ajustado para zero no início de cada ranhura de tempo recebida através do.uso de um preâmbulo de sincronização» e outros. Para condicões isentas de ruído, pode-se.demonstrar que, para um formato de modulação por manipulação por chave de desvio mínimo, podem-se detectar bits sem erro no aparelho reeeptor contanto oue o desvio de fase entre o transmissor e o receptor seja inferior a p/2 radianos. Gomo a freouêncis, instantânea é o derivativo de tempo da fase, a fim de que a ranhura de te-cpo seja recebida sem erro, é necessário oue o desvio de fase no fim da ranhura seja inferior a p/P radianos, isto é, aue o desvio de frequência entre,os aparelhos transmissor e receptor siga a seguinte formulação:
desvio
I p/2 .
p 0,5 mseg
500 Hz
Para adequar os efeitos do ruído, na prática, é nel cessário que o desvio de frequência seja um pouco menor aue esse valor, tipicamente de 200 Hs»
Puma oreracão de radio movei
SCO um desvio máximo de frequência de 200 Hz entre a onda portadora transmitida e a frequência de referência do aparelho receptor implica oue tanto o aparelho transmissor, como o aparelho receptor devem empregar oseiladores que tenham unia estabilidade geral (sobre o tempo, a temperatura e outros) melhor que 0,1 partes por milhão (ppm), uma exigência do estabilidade que é usualmente satisfeita pelos padrões de frequência do césio ou do nubídio e pelos oseiladores de cristal sinterisados. Todos estes oseiladores são demasiado volumosos para aplicações em rádios móveis comerciais. Em vez deles, o controlo automático da frequência (A^C) deve ser empregado com um oscilador mais pequeno, todavia com menor estabilidade, o qual compromete a estabilidade da frequên-
cia. Deve® ser concebidos processos para o controlo da estabilidade da frequência por outras vias. Os circuitos AFC são uma via comum.
Os circuitos ÀPC convencionais, conforme estão descritos por J.C. Samuéis em ”Theory of the 3and-0entering APC System”; IRE Transactions on Circuit Theory, páginas 324-330, Dezembro de 1957, são projectados para compensarem os grandes desvios da frequência entre os aparelhos transmissor e receptor, a fis de manter -o sinal recebido dentro da largura ãs faixa do filtro IF do aparelho receptor. Isto é usualmente conseguido por meio de un detector discriminador da frequência, cuja saída é um filtrado passa ' baixo para remover quaisquer artefactos de dados provenientes da frequência média,do sinal recebido. Uma tal abordagem e útil rara a obtenção de desvios de frequência de cer- ’ ca de +1 KHz a 900 TRFs. Não é um processamento aceitável no sentido da obtenção de um desvio de frequência inferior a 200 t, a não ser que a largura de faixa do sinal transmitido seja inferior a 200 nz (por exemplo, u&a sinusoide). Uo entanto, mesmo para conseguir um bloqueio de frequência para um sinal einusoidal, é necessário proeesrar ainda, cuidadosamente, o sinal recebido.
Ua prática, a fim de conseguir ur bloqueio inicial da frequência para um sinal GUSF recebido, uma rajada sinusoidal é transmitida a intervalos periódicos entre as rajadas de dados por transmissão de uma.longa rajada de 0 ou I lógicos, usando o formato de modulação GhSK. forno já é ben sabido, o sina3 resultante de tal entrada de dados é uq sinal sinusoidal numa frequência igual à frequência da onda portadora mais on menos um quarto da velocidade dos * 1 bits ξ-ψ, ou sega
-P _ f j, -JL· ~ “onda portadora — 41
na qual a escolha do sinal depende se todos os ”um” ou todos os zeros sao transmitidos.
Com esta transmissão de rajada sinusoidal, o bloqueio à onda portadora recebida requer tanto a detecção da rajada sinusoidal como o bloqueio da frequência para a rajada sinusoidal.
Portanto, a invenção tem como objectivo vencer estes desafios e alcançar certas vantagens apresentadas a seguir.
Sumário da invenção ctaii iii u. n l Ctw ι líj.wjtuuv.n.mniι» .. >iir,j<. niii» ni· ii in wii
Assim, são proporcionados um processo e um aparelho para o controlo automático da frequência (AFC) ds puras onda.· sinusoidais (P3U). Ele compreende a discriminação a .fim de se detectarem as diferenças de frecuência entre uma onda sinusoidal pura recebida e uma frequência de referência, a integração das diferenças âe frequência, para se obter o valor médio das diferenças, e o ajustamento da frequência de referência a fi,;. de eliminar a diferença da freouência.
processo é ainda caracterizado pelo facto de se digitar, em quadratura, a onda sinusoidal pura recebida, se misturar a onda sinusoidal pura recebida com uma sinusoida complexa para transpor a sinusoide para 0 s se filtrar em quadratura a onda sinusoidal mista, se discriminar por produto cruzado a fim de se detectar as diferenças entre una onda sinusoidal pura recebida e uma frequência de referência, se integrarem as diferenças de frequência a fim de se obter uma média das diferenças, se calcular selectivamente a média/variância entre a onda sinusoidal pura e a frecuência de referência, e se ajustar a frequência de referência de uc oscilador controlado pela tensão, a fim de se eliminar a diferença de freouência.
Descrição dos desenhos
Objectivos suplementares, características e vantagens da invenção serão entendidos com maior clareza.e o melhor modo de realização.considerado para a realização prática preferida da invenção será apreciado (a título de exemplo não restritivo) a partir da seguinte descrição minuciosa, tomada em conjunto com os desenhos anexados, nos quais;
a única figura é um diagrama en blocos, funcional, da forma de realização preferida da invenção.
Descricão normenorizada sobre ?ar-se-à agora referência ao diagrama, era blocos forma de realização preferida da invenção.
Um desmodulador em quadratura convencional é usado para misturar o sinal de frequência intermédia (IP) recebido com os sinais em-fase (I) na faixa de base ε os sinais em quadratura (C). Dois conversores analógico/digital (A/D), que operam nus múltiplo da velocidade dos bits, são usados para fazer.-m a amostragem dos sinais da faixa de base em quadratura e converter estes sinais para um formato digital, líote-se que todo este conjunto de circuitos é também necessário para a desaodulação digital dos sinais de dados fUSf.
As saídas dos conversores analógico/di ital (Α/Ό) são subsequentemente. transpostas na frequência nela multiplicação do sinal recebido por eTj oJ, .na nual radianos/seg. 0 efeito desta transposição durante a recepção da rajada de onda sinusoidal pura sem qualquer erro de ja frequência é o de misturar a onda sinusoidal com 0 Hz. presença de um desvio de frequência, os sinais I t r transpostos na frequência consistirão de uma onda sinusoidal e uma onda cosinusoidal, respectívamente, numa frequência igual ao erro da frequência de desvio.
Os sinais I e 0 transpostos na frequência são subsenuentemente filtrados num filtro passa-baixa pelos dois blocos ITT a fim de retirar o ruído excessivo e são depois amostrados em baixa por meio dos dois blocos decimadores. Durante a recepção da onda sinusoidal pura, a largura de faixa do sinal recebido será igual ao erro de frequência entre o sinal da onda portadora recebida e o VCO. Desta forma, após a transposição da frequência, os sinais Te' serão, cada us de-les, limitados na faixa para a gama de frequência 0 f (max) *desvio da frequência)
Consequentemente, o sinal depois do filtro passa-baixa pode ser amostrado esi baixa para v ·#· (max) _ 1 *' desvio de frequência f d 3
Nyquist para os sinais de dados em amostragem sem violar o critério de anspostos na são depois o qual é ef crusado.As inusoidais e radianos/seg
Os sinais em quadratura, tr filtrados em passa-baixa, decimados, a uai discriminador da faixa de base, meio de um discriminador de produto tal di serininador para as entradas s ra numa frequência em raâiano de D7 frequência, aplicados eetuado por aí ia de um m cuadratu pode ser ilustrada da seguinte forma:
V3I800
Asin(DUT^) na qual Tçf tem a definição acima indicada, e A é ura constante de proporcionalidade. Assim, para uma entrada de onda sinusoidal pura no aparelho receptor, a saída do discriminador é um sinal 00, cuja amplitude é proporcional ao desvio de frequência entre a frequência da onda portadora recebida e a frequência VOO.
A saída do díscriminador do produto cruzado é depois alimentada a dois blocos separados. 0 primeiro bloco, um filtro passa-baixa implementado como ua filtro IIR de primeira ordem, é usado para atenuar a saída do discriminador do produto cruzado, a fim de eliminar os efeitos do ruído de entrada. 0 segundo bloco, um detector da onda sinusoidal pura, é usado para detectar a presença de uma onda sinusoidal pura e, portanto, capacitar a saída do primeiro bloco para ser ligada, ao restante do circuito fechado do controlo automático de frequência (APC). C detector da onda sinusoidal pura consiste num calcular da média e da variância^ num coaparador. 0 calculador da média e da variância avalia s média;
e a variancia £-1 L V2 - i;2_ ““ TíT da saída do discriminador. Para uma entrada de onda sinusoidal pura, a média E é igual ao erro de fr--ouência, eno quanto que a variância será pequena. Para os sinais de dados ou o ruído, no entanto, a variância será grande. A variância será, portanto, aplicada a um comparador, o '«uai compara a variância coe: um valor de variância limiar e fecha o comutador que desactiva o A?C na saída do diseriminador LPP, se a variância for inferior, ao limiar.
A saída do comutador oue desactiva o Af3? é subsequentemente aplicada a um termo K de ganho do Ã?C (o qual determina a dinâmica do circuito fechado do APO) a um integrador e a um conversor digital/analógico (P/A). A saída do conversor D/A é então aplicada ao TCO para eliminar qual quer desvio de frequência entre a onda portadora transmitid e a frequência de referência 700 do aparelho receptor.
Resumindo, portanto, oferece-se um processo e un aparelho para o controlo automático da frequência (ARO) das ondas.sinusoidaie puras (?SW). Ele compreende as seguintes operações: se fazer a discriminação, a fira de se detectar diferenças de frequência entre uma onda sinusoidal pura recebida e uma frequência de referência, se realisar a integração das diferenças de frequência para se obter o valor médio das diferenças, e se ajustar a frequência de referência, para eliminar a diferença de frequência.
processo em questão é ainda caracterizado pelo facto de: se digitar, em quadratur onda sinusoida.1 rura recebida se misturar a onda sinusoidal pura recebida com uma forma de onda sinusoidal complexa, para transpor a onda sinusoidal para 0 Hs, se filtrar era quadratura a onda sinusoidal mista, se discrimin;.r por produto cruzado, a fim le se detectarem as diferenças de frequência en’-re uma onda sinu pura recebida e uma frequência de referência se integrarem as diferenças de frequência para se obter o valor médio das diferenças, se calcular selectivamente a variância média entre a onda sinusoidal pura recebida e a frequência de referência e se ajustar a frequência de referência de ura oseilador controlado pela tensão, a fim de eliminar a diferença de frequência..
Ainda que tenha sido descrito e ilustrado um modo de realização preferido da invenção, deverá ser apreciado pelos especialistas nesta matéria que podem ser.implementadas outras variações e modificações desta invenção. Por exem pio, o filtro IIR pode ser substituído por um filtro PIR equivalente, os âeeimadores podem ser retirados, cedendo a uma instalação mais simples (porém que exige mais computações por segundo); ou o discriminador por produtos cruzados pode ser substituído por uma outra estrutura de discrimina-
dor. Além disso, a parte digital do hardware” pode ser implementada, quer num processador IC do sinal digital, quer num hardware separado.
Espera-se que estas e outras.variações e adaptações se enquadrem no âmbito das reivindicações anexadas.
Claims (3)
1 ~'ϊ Τ Η D I C A g 0 P_
12. -Processo para o controlo automático digital da frequência (APO) em ondas sinusoídais puras (?SU), caracterizado pelo facto deose fazer a descriminanão, em relação a.uma frequência de referência, a fim de se detectar i diferenças de frequência entre uma onda sinusoidal pura recebida e uma forma de onda de referência (20), se realizar a integração das diferenças de frequência para se obter o valor médio das diferenças (30), e se ajustar a frequência de referência, para eliminar a diferença de frequência (40).
2ê. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a discriminação ser uma discriminação (20) por produtos cruzados.
32. - Processo de acordo eom a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a discriminação ser precedida pela operação de mistura da onda sinusoidal pura recebida com uma forma de onda de referência sinusoidal complexa, a fim de a transpor para QH_ (50).
42. - Proeesso de acordo com a reivindicação 3» caracterizado pelo fe.cto de a filtração em quadratura da onda sinusoidal mista (60) ser efectuada entre a operação de mistura e a discriminação.
5§. - Processo de acordo.com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de a operação de mistura ser precedida pela digitação, em quadratura, da onda sinusoidal pura recebida (70).
52·. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o ajustamento ser ainda caracteri- zado por se ajustar (40) a frequência de um osçilador (30) controlado pela tensão para eliminar a diferença de frequência.
7&. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a variância (90) entre a onda sinusoidal pura e a forma de onda de referência ser utilizada para invocar selectivamente o ajustamento da frequência.
3?·. - Processo de controlo automático digital de frequência (APC) em ondas sinusoidais puras (PSH) em rajadas, caracterizado pelo facto de se fazer a discriminação por meio dos produtos cruzados com relaçao a uma frequência de referência, a fim de se detectar as diferenças da frequência entre uma rajada de ondas sinusoidais puras recebidas e uma forma de onda de referência, se integrarem as diferenças de frequência a fim de se obter uma média das diferenças, e-se ajustar a, frequência de referência de um osçilador controlado pela tensão a fim de eliminar a diferença de frequência.
9^. - Processo de controlo automático digital da frequência (APG) de rajadas de ondas sinusoidais puras (PSW) caracterizado pelo facto de:
se digitar, em quadratura, a onda sinusoidal pura recebida;
se misturar a onda sinusoidal pura recebida com uma forma de onda sinusoidal, complexa de referência, para a transpor para 0Hz;
se filtrar em quadratura a onda sinusoidal mista;
se discriminar por produtos cruzados, a fim de se detectar as diferenças de frequência entre uma onda sinusoidal pura recebida e a forma de onda de referência;
se integrar as diferenças de frequência para se obter o valor médio das diferenças, e se ajustar a frequência da referência dum.oscilador controlado pela tensão, para eliminar a diferença de frequência.
10^. - Processo de controlo automático digital da frequência (APC) de rajadas ondas sinusoidais puras (PSA), caracterizado pelo facto de:
se digitar, em quadratura, a onda sinusoidal pura recebida, se misturar a onda sinusoidal pura recebida com uma forma de onda sinusoidal complexa de referência, para a transpor para 0H_;
a se filtrar em quadratura a onda sinusoidal mista;
se discriminar por meio de produtos cruzados, a fim de se detectar as diferenças de frequência entre uma onda sinusoidal pura recebida e a forma de onda de referência, se integrar as diferenças de frequência para se obter o valor da média das diferenças, se ajustar a frequência da referência dum oscilador controlado pela tensão para eliminar a diferença de frequência, e se invocar selectivamente o ajustamento da frequência com base nas variâncias entre a onda sinusoidal pura e a forma de onda de frequência.
11&. - Aparelho para o controlo automático digital da frequência (APC) de ondas sinusoidais puras (?8T7), carac terizado pelo facto de compreender ligados em série, meios para discriminar, em relação a uma frequência de referência, a fim de se detectarem as diferenças de frequência entre uma onda sinusoidal pura recebida e uma forma de onda de referência, e meios para integrar as diferenças de frequência, para se obter o valor médio das diferenças e para ajustar a frequência de referência, a fim de eliminar a diferença de frequência.
12- Aparelho para o controlo automático digital da frequência (A1?G) de ondas sinusoidais puras (?3W), caracterizado pelo facto de compreender, ligados em série, meios para digitar, em quadratura a onda sinusoidal pura recebida, meios para misturar a onda sinusoidal pura recebida com uma forma de onda sinusoidal complexa de referência, para a transpor para 0Πζ;
meios para filtrar em quadratura a onda sinusoidal mista;
meios para discriminar por meio de produtos cruzados, a fim de se detectar as diferenças de frequência entre uma onda sinusoidal pura recebida e a forma de onda de referência.
meios para integrar as diferenças de frequência para se obter o valor médio das diferenças e para ajustar a frequên cia de uma referência do oscilador controlado pela tensão para eliminar a diferença de frequência.
13δ· - Aparelho para o controlo digital automático da frequência (AFC) de ondas sinusoidais puras (^SW) caracterizado pelo facto de compreender, ligados em série, meios para digitar, em quadratura, a onda sinusoidal pura recebida meios para misturar a onda sinusoidal pura recebida com uma forma de onda sinusoidal complexa de referência para a tranj por para OHz;
meios para filtr<-.r em quadratura a onda sinusoidal mista; meios para discriminar por meio de produtos cruza· os, a fim de se detectar as diferenças de frequência entre uma onda sinusoidal pura recebida e a forma de onda de referência;
meios para integrar as diferenças de frequência para se obter o valor médio -as diferenças e para ajustar a frequência de uma referência do oseilador controlado pela tensão para eliminar a diferença de frequência, e meios para invocar selectivamente o ajustamento de frequência oom base nas variâncias entre a onda sinusoidal pura e a forma de onda de referência,
142, - Processo para 0 controlo automático digital da frequência (AFG) em rajadas de ondas sinusoidais puras (?3P), caracterizado pelo facto de se discriminar, em rela- ; cão a uma frequência de referêneia, a fim de se detectar as diferenças de frequência entre uma rajada de ondas sinusoidais puras recebidas e,ua forma de onda de referência, se integrar as diferenças de freouência a fim de se obter 0 ; valor médio das diferenças e se regular a frequência de referência para eliminar a diferença de freouência.
15- Processo de acordo com a reivindicarão 1 caracterizado pelo facto de se utilizarem as variâncias marginais entre a onda sinusoidal pura e a forma de onda de referência para se invocar 0 ajustamento da frequência.
15&. - Processo de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo facto de as variâncias substanciais entre a onda sinusoidal pura e a forma de onda de referência serem utilizadas para suspender o ajustamento da frequência.
Lisboa, 15 de Dezembro âe 1939
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