В.Е. Мартиросов1, Г.А. Алексеев2

1 НИУ Московский авиационный институт (МАИ) (Москва, Россия)

2 ООО Бюро 1440 (Москва, Россия)

Постановка проблемы. В настоящее время системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) широко применяются в задачах формирования и приема сигналов в цифровых системах передачи информации (ЦСПИ). На их основе создаются структуры синхронных модуляторов и квазикогерентных демодуляторов дискретных сигналов ЦСПИ. Эти структуры также используются для реализации систем тактовой синхронизации и в синтезаторах частоты косвенного метода синтеза. Однако недостаточное быстродействие систем ФАПЧ в режиме начальной синхронизации, при значениях начальной частотной расстройки, многократно превышающих коэффициент петлевого усиления, является актуальной проблемой для ряда современных приложений.

Цель работы. Провести сравнительный анализ методов высокоскоростной синхронизации в современных системах ФАПЧ, а также исследовать динамические характеристике широко применяемой на практике системы ФАПЧ с импульсным частотно-фазовым детектором и схемой накачки заряда (CPPLL) и предлагаемой авторами инновационной структуры глобально линеаризованной системы синхронизации (GLSS) [12].

Результаты. Представлен аналитический обзор методов высокоскоростной синхронизации устройств, выполненных на основе систем фазовой автоподстройки частоты. Рассмотрены такие классы методов как нелинейное управление, дополнительное частотное дискриминирование, поиск по частоте входного сигнала, петли ФАПЧ с переменными параметрами. Приведены результаты исследования быстродействия систем CPPLL и GLSS. Представлены результаты сравнения исследуемых структур с традиционной структурой ФАПЧ, а также с методом поиска по частоте (поисковой ФАПЧ). В ходе имитационного моделирования в среде MATLAB/Simulink получены временные эпюры сигналов в исследуемых системах синхронизации для различных значений относительной начальной частотной расстройки. Приведены полученные в результате моделирования зависимости времени захвата синхронного режима по частоте от начальных частотных расстроек. Установлено, что выигрыш в быстродействии GLSS по сравнению с CPPLL при частотных расстройках, значительно превышающих коэффициент петлевого усиления системы, может достигать порядка и более. Подчеркнута возможность реализации системы GLSS в микросхемном исполнении непосредственно в СВЧ-диапазоне частот.

Практическая значимость. Результаты работы могут быть использованы при разработке современных высокоскоростных цифровых систем передачи информации (ЦСПИ).

Мартиросов В.Е., Алексеев Г.А. Методы высокоскоростной синхронизации в системах фазовой автоподстройки частоты // Радиотехника. 2023. Т. 87. № 3. С. 83−91. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202303-08

1. Мартиросов В.Е. Оптимальный прием дискретных сигналов ЦСПИ. М.: Радиотехника. 2010. 208 с.
2. Мартиросов В.Е. Статистический синтез оптимальных алгоритмов формирования высокостабильных модулированных колебаний // Электросвязь. 1995. № 10. С. 33-36.
3. Gardner F.M. Phaselock Techniques. 3rd ed. New York: John Wiley & Sons. 2005. 443 p.
4. Martirosov V.E., Alekseev G.A. Synchronous Methods of BPSK Signal Generation // Conference “2020 Systems of Signals Generating and Processing in the Field of on Board Communications”. Moscow, Russia. 2020, DOI: 10.1109/IEEECONF48371.2020.9078562.
5. Kirasamuthranon L., Wardkein P., J. Koseeyaporn J. Narrow bandwidth PLL based multiplier phase detector for PSK modulator // 2020 5th International Conference on Computer and Communication Systems. 2020. Р. 594-598. DOI: 10.1109/ICCCS49078.2020.9118523.
6. Мартиросов В.Е. Оптимальные алгоритмы приема дискретных сигналов // Радиотехника и электроника АН СССР. 1985.
   № 5. С. 981-986.
7. Мартиросов В.Е. Статистический синтез алгоритмов приема многокомпонентных дискретных сигналов // Известия вузов СССР. Сер. Радиоэлектроника. 1990. № 7. С. 3-8.
8. Meyer H., Asheid G. Synchronization in Digital Communications. V.1. New York: John Wiley & Sons. 1990.
9. Stephens D.R. Phase-locked loops for wireless communications - digital, analog and optical implementations. 2nd ed. New York: Kluwer Academic Publishers. 2002. 422 p.
10. Egan W.F. Advanced Frequency Synthesis by Phase Lock. 2nd ed. New York: John Wiley & Sons. 2011. 442 p.
11. Kroupa V.F. Phase Lock Loops and Frequency Synthesis. New York: John Wiley & Sons. 2003. 321 p.
12. Мартиросов В.Е., Алексеев Г.А. Структурный синтез системы синхронизации с высокими динамическими характеристиками // Радиотехника и электроника. 2019. Т. 64. № 2. С. 1-5. DOI: 10.1134/S0033849419020153.
13. Шахгильдян В.В., Ляховкин А.А. Системы фазовой автоподстройки частоты. М.: Связь. 1972. 447 с.
14. Белых В.Н., Шалфеев В.Д. Частотно-фазовая автоподстройка частоты с нелинейным фильтром в фазовой цепи управления // Известия вузов. Сер. Радиофизика. 1968. Т. 11. № 11. С. 1756-1759.  
15. Hiroshige K. A simple technique for improving the pull-in capability of phase locked loops // IEEE Transactions on Space Electronics and Telemetry. March 1965. V. SET-11. № 1. Р. 40-46. DOI: 10.1109/TSET.1965.5009635.
16. Власов В.А. Исследование поисковых систем фазовой синхронизации автогенераторов: Автореф. дисс. … канд. тех. наук: 05.00.00. М.: Российская государственная библиотека (РГБ). 1968. 201 с.
17. Talbot D.B. Frequency acquisition techniques for phase locked loops. New York: John Wiley & Sons. 2012. 212 p.
18. Gardner F.M. Charge-pump phase-lock loops // IEEE Transactions on Communications. November 1980. V. COM-28. № 11. Р. 1847-1858.
19. Мартиросов В.Е. Оптимальные алгоритмы приема сигналов квадратурной амплитудной манипуляции // Радиотехника. 2004. № 11. С. 41-48.
20. Мартиросов В.Е.  Влияние нелинейных (компрессионных) искажений на помехоустойчивость приема сигналов QAM // Радиотехника. 2008. № 9. С. 4-11.
21. Alekseev G.A., Martirosov V.E. Dynamic Characteristic of the BPSK-GLSS Demodulator // Conference «2021 Systems of signals generating and processing in the field of on board communications». Moscow, Russia. 2021. DOI: 10.1109/IEEECONF51389.2021.9416110.