CC BY
14
УДК 621.396.93
ДВУХЧАСТОТНАЯ СХЕМА СИНХРОНИЗАЦИИ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ В СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМАХ
Нгуен Суан Чыонг
В данной работе проведен анализ одного из методов синхронизации несущей задающих генераторов, разнесённых в пространстве - двухчастотной схемы синхронизации. В основу методики проектирования положена разработанная схема двухчастотной синхронизации. Рассмотрены и оценены условия стабилизации фазы, влияние дополнительных факторов на систему синхронизации.
Ключевые слова: схема синхронизации, фазовая синхронизация.
Актуальность. Последние годы свидетельствуют о феноменальном прогрессе в беспроводных цифровых технологиях передачи, включая мобильные телефоны, системы цифрового вещания (спутниковые и наземные) и беспроводные локальные сети.
Характерной особенностью бурно развивающейся космической техники является увеличение числа и усложнение задач, решаемых современными космическими аппаратами (КА). Эффективность решения их существенно зависит от технических характеристик, которые имеют бортовые системы, обеспечивающие функционирование КА. В частности, от того, каков облик системы управления полетом космического объекта, каковы ее энергетические, динамические и точностные характеристики, в значительной степени зависит, какие задачи и как качественно сможет решить данный космический объект.
Одной из центральных проблем создания спутниковой системы, является проблема взаимной комплексной синхронизации (временной, пространственной и фазовой), без решения которой невозможно использовать большие потенциальные возможности КА [2 - 7].
Одним из перспективных методов, которые могут решить проблему синхронизации, является использование системы с обратной связью, измеряющей и компенсирующей фазовые ошибки несущего сигнала [1].
Целью данной работы является разработка методики синхронизации пространственно разнесенных устройств. Для этого необходимо:
- Пронализировать трудности при синхронизации генераторов, разнесённых в пространстве; выявить недостатки схемы одночастотной синхронизации.
- Разработать схемы двухчастотной синхронизации; получить аналитические выражения для фазового смещения сигналов, формируемых генераторами;
- Оценить условия стабилизации фазы, влияние характеристик среды передачи и качества составляющих подсистем на систему синхронизации.
Трудности при синхронизации генераторов, разнесённых в пространстве. Наибольшее влияние на стабильность генератора оказывают:
- изменения температуры окружающей среды;
- изменения напряжения электропитания;
- изменение атмосферного давления;
- ускорение (при установке генераторов в движущихся объектах);
- вибрация (при установке генераторов в движущихся объектах).
Даже используя высокостабильные генераторы, частота их несущих может отличаться на сотни герц. Кроме того, каждый генератор имеет независимый случайный дрейф фазы, определяющийся спектральными свойствами его фазовых шумов. Эти эффекты делают синхронизацию еще сложнее. Основным требованием является синхронизация обоих разнесённых генераторов. Одним из возможных методов является фиксация одной частоты относительно другой. Эта операция может сочетаться с компенсацией сдвига фазы [1].
В схеме одночастотной синхронизации центральный блок генерирует и передаёт синусоидальный сигнал с фиксированной частотой (рис.1). Этот сигнал получает удаленный блок, который синхронизирует свой собственный генератор на эту частоту и передает восстановленный сигнал обратно в центральный блок. Центральный блок восстанавливает этот сигнал обратной связи, и вычисляет смещение фазы канала передачи. С помощью этой информации центральный блок регулирует фазу своего сигнала.
Рис. 1. Схема одночастотной фазовой синхронизации:
Ph. Shifter — переменный фазовращатель; PFD — фазовый детектор;
F — фильтр; VCO — генератор, управляемый напряжением (ГУН)
Для осуществления этого метода необходимо, чтобы передача и прием в обоих блоках имели идеальные направленные свойства, что означает способность разделить и отличить две различных волны в зависимости от направления их распространения. Это означает, что не должно быть никаких помех между двумя сигналами, которые движутся в противоположных направлениях в канале.
Кроме того, также предполагается, что каналы согласованы как с центральным блоком, так и удаленным устройством. Это означает, что не будет никаких отражений на линии.
Поэтому данная схема практически трудно осуществима, поскольку требует высокого уровня развязки прямого и обратного каналов.
Двухчастотная схема синхронизации. Основная идея метода - использование двух сигналов, которые движутся в противоположных направлениях вдоль тракта передачи.
Предлагаемая схема основана на использовании для передачи центр-удалённый блок двух поднесущих, для которых частота синхронизации точно равна средней частоте из двух поднесущих. Первая частота имеет неизменную фазу, а другая имеет фазы, которые корректируются в целях компенсации полного цикла фазовых сдвигов. В результате формируется общий фазовый сдвиг, близкий к нулевому, что обеспечивает линейный режим работы фазового детектора (рис. 2).
Рис. 2. Двухчастотная схема синхронизации: Ь8БО — генератор нижней боковой частоты; и8БО — генератор верхней боковой частоты
В данной схеме первый сигнал имеет частоту /1 = /с — /т и неизвестную произвольную фазу в. Частота второго сигнала равна /2 = /с + /т, и ее фаза а регулиру-
109
ется в целях компенсации смещения неизвестной фазы в канала. В стационарном состоянии, если фаза компенсируется правильно, то значение a должен быть равен
2f — в, где f = wc- фазовый сдвиг, связанным с несущей частотой fc = .
2р
Удаленный блок восстанавливает несущую с частотой fc и передаёт её обратно в центральный блок. Фаза сигнала обратной связи, наблюдаемая в центральном блоке равна:
в a
в f = — +--2f .
J 2 2
Эта фаза может быть использована для получения фазы a, необходимой для управления в цепи обратной связи.
Если предполагается, что несущая входной фазы 0in равна нулю, то можно получить вариант, подходящий для преобразования полученного сигнала обратной связи. Конверсию сигнала получают путем смешивания фазы несущей и частоты (преобразование «вниз»), разделяющей сигналы. Преобразованная фаза несущей:
в =о+a—в.
^ down —conversion v "r 2 2'
f = f = f fl f2
fdown —conversion = J 2 = Jc + "2 2 .
В результате, значение декодированной фазы становится:
вdecoded = в down —conversion — в f = 2f — в . fdecoded = fm = f2 — fc Наконец, контролируемый сигнал, частота которого равна fi = fc + fm , получен через преобразование «вверх» несущей и декодированного низкочастотного сигнала. Его фаз a , имеет значение:
a = 0 + в decoded = 2f — в Функциональная схема формирования контролируемого сигнала
x2, показана на рис. 3. Эта схема показывает, как можно получить компенсацию сигнала без осуществления фазового детектирования на нулевой частоте.
/i[6Li—Ш
X!
,~J а
Х2
/2
/2
[а/2
down-conversion
ч
в
+ fmfa-W hi"-в) Г*
х2
up-conversion /с\(а + в)/2-2ф
feedback
Рис. 3. Функциональная схема формирования сигнала управления
В схеме, показанной на рис. 3 видно также, что несущая опорного сигнала используется для преобразования два раза. Следовательно, схема может быть упрощена заменой двух узлов преобразования несущей опорного сигнала только одним узлом преобразования для входного сигнала. Кроме того, сигнал с частотой 2 fc также генерируется в удалённом блоке в USBG. Затем его также можно использовать в петле синхронизации несущей на удвоенную частоту преобразователя частоты. Этот схема имеет преимущество, позволяющее осуществлять синхронизацию на частоте, равной половине частоты несущей.
На рис. 4 показана структурная схема генерации компенсационного сигнала с помощью несущей с частотой частот 2/с, равной опорной частоте /ор. В практической реализации выходной сигнал должен быть получен с восстановлением фазовой синхронизации.
Модернизированная двухчастотная схема синхронизации основана на схеме слежения, показанной на рис. 4. Общая схема фазовой синхронизации показана на рис. 2. В этой схеме порядка точки преобразования в петле обратной связи изменены, хотя в целом результат сохраняется.
/с|(а+0)/2-2 ф feedback
Рис. 4. Структурная схема генерации компенсационного сигнала
Генератор нижней боковой частоты формирует сигнал х2 с частотой смещения фазовой автоподстройки частоты. Для данной реализации, в частности, на положительный вход фазы ЬББО поступает несущая частота сигнала с частотой /ор = 2/с и на отрицательный вход - сигнал с частотой /1, а фазы равны: в — 2ф эквивалентно —а. Кроме того, разность фаз между этим сигналом и XI может быть использована для измерения сдвига фазы канала.
Одним из преимуществ предлагаемой схемы является то, что характеристика канала может быть выполнена с набором частот /1 , /2 и /с , при очень малом интервале между ними без влияния на точность системы.
Моделирование и анализ результатов. В данном разделе рассматривается двухчастотная схема синхронизации в значительной степени определяющая зависимость ошибки по фазе от частоты среза ФНЧ, и точность синхронизации всей схемы. Схема для моделирования построена по структурной схеме, изображена на рис. 2. Общая схема для моделирования показана на рис. 5.
мультиплексор мультиплексор
f< п Г
к
Рис. 5. Схема двухчастотная синхронизация для моделирования
На входе 2 генератора на / = 2340 МГц , /ор = 4800 МГц . Оба устройства
(центральный и удаленный блоки) подключены к каналу передачи через частотный мультиплексор. Это устройство включает фильтры разных диапазонов частот вблизи
частот Л , /2 .
На рис. 6 представлены результаты имитационного моделирования при различных значениях начальных фаз.
Рис. 6. График зависимости фазовых ошибок от времени при различным значениях начальных фаз
Далее при имитационном моделировании учитывались только влияние частоты среза ФНЧ (в составе фазовых детекторов), при этом на входе генераторов подают сигналы с начальной фазой равны нулю. На рис. 7 представлены результаты имитационного моделирования.
хЮ"3
1 о -1 -2 -3 -4 -5
0.5 1 1.5 2 2.5 *Ю-Й
Рис. 7. График зависимости фазовыш ошибок от времени при различным значениях частоты среза ФНЧ
Из графиков видно, что при различных значениях частоты среза ФНЧ фазовая ошибка прямо пропорциональна частоте среза ФНЧ и стремится к нулю через 2...3 микросекунды, то есть система синхронизирована. Схема работает устойчиво и время для синхронизации не зависит от значения начальной фазы генераторов, фазовый сдвиг компенсируется. Сигнал синхронизации управляемый, не зависит от уровня шумы.
112
С помощью предложенной имитационной модели может быть обеспечен различный, в том числе и высокий, уровень детализации моделируемых процессов. При этом модель создается поэтапно, эволюционно.
Заключение. Космическая информация используется для решения многих хозяйственных и научных задач мониторинга окружающей среды. Качество этой информации во многом определяется слаженностью работы всех систем, составляющих спутниковую группировку. Обеспечение такой согласованности невозможно без комплексной синхронизации (временной, пространственной и фазовой), один из предложенных методов, который может решить проблему синхронизации, рассмотрен в работе.
На космических аппаратах передатчик и приемник летят на различных платформах и используют независимые генераторы, поэтому фазовые помехи не подавляются. Качество сигнала в большей степени определяется качеством опорного сигнала в центральном блоке. Однако, характеристики сигнала будут зависеть от характеристик среды передачи и от качества составляющих подсистем, используемых для построения схемы синхронизации. Таким образом, эффективность системы должна быть промоделирована в зависимости от свойств канала и подсистемы синхронизации.
Список литературы
1. Juan Carlos Merlano Duncan, «Phase Synchronization Scheme for Very Long Baseline Coherent Arrays», 2012. 197 с.
2. Younis M., Krieger G., Metzig R., and Werner M. TanDEM-X bistatic synchronization system performance. German Aerospace Center, Microwaves and Radar Institute. Tech. Note TDX-TN-DLR-1102, 2005.
3. Голуб В. Система ФАПЧ и ее применения. Chip News. 2000. № 4. 15 с.
4. Веремеенко К.К., Тихонов В.А. Навигационно-посадочный комплекс на основе спутниковой радионавигационной системы // Радиотехника, 1996, № 1. 23 c.
5. Chen S. et al.: Focusing of tandem bistatic SAR data using the chirp-scaling algorithm // EURASIP Journal on Advances in Signal Processing. 2013, № 1. P. 1 - 13.
6. Wang W.-O. Measurement of Baseline and Orientation between Distributed Aerospace Platforms. Hindawi Publishing Corporation The ScientificWorld Journal Volume 2013, Article ID 985601.
7. Younis M. et al.: Performance Prediction and Verification for Bistatic SAR Synchronization Link. 2006. 4 p.
Нгуен Суан Чыонг, аспирант, xuantruong19@,hotmail. com. vn, Россия, Тула, Тульский государственный университет
DUAL-FREQUENCY SYNCHRONIZATION OF DISTRIBUTED GENERATORS
IN SA TELLITE SYSTEMS
Nguyen Xuan Truong
This paper presents analysis of one of the methods for synchronizing the carrier of master oscillators, spaced apart - a two-frequency synchronization scheme. The design methodology is based on the developed dual-frequency synchronization scheme. The conditions for phase stabilization, the influence of additional factors on the synchronization system are considered and evaluated.
Key words: synchronization methods, phase synchronization.
Nguyen Xuan Truong, postgraduate, xuantruong19@,hotmail. com. vn, Russia, Tula, Tula State University
