طراحي و پياده سازي ساختارهاي مناسب براي بازيابي پالس ساعت و حامل در گيرنده هاي مخابراتي همدوس

دكتري

همزمانسازهاي پالس ساعت و حامل يكي از مهمترين قسمتها در گيرنده هاي مخابراتي ديجيتال محسوب مي شوند. با احتساب مشكلات موجود در گيرنده هاي مخابراتي نظير نويز فاز اسيلاتورها، شيفت فاز حامل، داپلر، عدم تطبيق نوسانسازهاي محلي، اثرات كانال و ... استفاده از الگوريتمهاي مناسب بازيابي سيگنالهاي پالس ساعت و حامل امري اجتناب ناپذير است. انتخاب نوع معماري مناسب براي بازيابي حامل و پالس ساعت بر اساس نرخ داده ارسالي قابل قبول، محيط انتقال، ميزان كارآيي مورد انتظار، و ... صورت مي گيرد. از سوي ديگر بسياري از مقالات مرتبط با حوزه پياده سازي سنكرونسازها در گيرنده، بر روي پياده سازيهاي ديجيتال و به خصوص سخت افزارهاي قابل پيكربندي تمركز كرده اند. در ميان روشهاي ديجيتال، الگوريتمهايي كه داراي سرعت و قابليت انعطاف بالا و سادگي پياده سازي و هزينه پايين باشند، از اهميت زيادي برخوردار هستند. در اينجا سعي بر بررسي برخي از الگوريتمهاي بازيابي سيگنالهاي پالس ساعت و حامل و پياده سازي يك الگوريتم خاص به صورت ديجيتال به منظور دستيابي به سرعت بالا در گيرنده هاي مخابراتي همدوس است. در اين راستا مطالعاتي بر روي برخي از الگوريتمهاي مهم در تخمين آفست زماني و فاز و فركانس حامل صورت گرفته است و برخي از چالشهاي اصلي اين حوزه (نظير بهبود قدرت رديابي در SNRهاي پايين و ديناميكهاي بالا، دستيابي به نرخ بالا در پياده سازيها، بهبود خطاي تخمينگرها و سرعت همگرايي آنها و ...) از جهات مختلف مورد تجزيه و تحليل قرار گرفته است. آنچه به عنوان كارهاي اصلي و جديد در اين پايان¬نامه ارائه شده است را مي توان به صورت زير ليست كرد: • پيشنهاد دو تخمينگر زماني رو به جلوي NDA با نرخ چهار نمونه و دو نمونه در هر سمبل و مقايسه عملكرد آنها با تخمينگرهاي متداول. از مهمترين مزاياي تخمينگر جديد پيشنهادي دوم، قابليت آن در كنترل بهره حلقه به صورت خودكار است. اين قابليت، سرعت همگرايي و مقاوم بودن طرح را بهبود مي دهد. از ديگر مزاياي آن، عدم حساسيت آن به تغييرات دامنه، فاز و فركانس سيگنال ورودي است كه عملكرد مناسبي را در حضور عوامل مخربي نظير عدم تعادل دامنه، داپلر، عدم همساني اجزاء RF و ... فراهم مي آورد. همچنين تخمينگر پيشنهادي به لحاظ واريانس خطا (به خصوص در SNRهاي پايين) از روشهاي متداول موجود عملكرد بهتري دارد. •ارائه يك روش جديد براي جبرانسازي تاخير در حلقه هاي سنكرونسازي با استفاده از پيش بيني كننده اسميت. با استفاده از اين روش جبرانسازي، امكان استفاده از روشهايي مانند خط لوله براي افزايش نرخ ارسال داده فراهم مي آيد. علاوه بر اين، با استفاده از اين بهبود، مي توان از فيلترهاي داخلي مناسب در حلقه هاي بازيابي زماني و حامل جهت بهبود عملكرد حلقه بهره جست. استفاده از اين روش در پياده سازيهاي نهايي و به ازاء مدولاسيونهاي مختلف بهبود قابل ملاحظه اي در نرخ خطاي بيتي را نشان مي دهد. روش پيشنهاد شده نسبت به روشهاي موجود در جبرانسازي تاخير در حلقه هاي سنكرونسازي زماني ساختار ساده¬تري دارا بوده و عملكرد آن نيز به پارامترهاي سيستم وابستگي كمتري دارد. • طراحي و پياده سازي يك فرستنده-گيرنده چندنرخي با قابليت رديابي سيگنالهاي داراي ديناميك بالا و SNR پايين. در اين ساختار، وجود نويز ذاتي تخمينگر زماني با استفاده از پيش فيلتر بهبود داده شده است. در ضمن با استفاده از يك ساختار بهينه، امكان تغيير نرخ گيرنده فراهم آورده شده است. همچنين از تخمين نيمه دقيق و دقيق فاز و فركانس حامل براي بهبود قدرت رديابي ساختار گيرنده استفاده شده است و در نهايت از روشهايي براي پياده سازي بهينه ساختارهاي طراحي شده استفاده شده و كليه روشهاي تشريح شده به صورت عملي تست شده¬اند. •طراحي و پياده سازي يك فرستنده-گيرنده ديجيتال نرخ بالا. در اين ساختار از Phase-Unwrapper براي افزايش گستره عملكرد تخمينگر استفاده شده است. همچنين از روشهايي بهينه براي افزايش سرعت ساختار با در نظر گرفتن معماري عملكردي تخمينگر زماني بهره گرفته شده است. از مهمترين مزاياي ساختار مطرح شده در مقايسه با كارهاي پيشين انجام شده اين است كه با استفاده از روشهاي به كار گرفته شده، طراحي ساده تر و سرعت بالاتري نسبت به روشهاي متداول به دست آمده است. نتايج پياده سازي نهايي سخت افزاري نشان مي دهد كه ساختار پيشنهاد شده داراي نرخي بالاتر از 150MSps است كه تاكنون نرخي بالاتر از اين مقدار در پياده سازي سخت افزاري سنكرونسازهاي پالس ساعت و حامل در حوزه زمان و در گيرنده هاي ماهواره اي گزارش نشده است. برخي از كارهاي ديگر انجام شده در راستاي بهبود كارهاي انجام شده قبلي كه در ادامه مقالات ديگر بوده است به شرح زير است: •استخراج و يكپارچه سازي روابط تئوري براي برخي از پارامترها نظير منحنيهاي S-curve و شيب عبور از صفر براي تخمينگرهاي متداول. • بررسي انواع معماريهاي ممكن در پياده سازي برخي از بلوكهاي اصلي و بهبود برخي از معماريها يا تركيب آنها با يكديگر. •شناسايي تابع انتقال سيستم و استفاده از روشهاي مختلف براي بهبود پايداري حلقه و عملكرد ديناميكي آن. •استفاده از بلوكهاي موجود در ساختار حلقه هاي بازيابي زماني و حامل و ايده هاي موجود در اين حوزه در كاربردهاي ديگر و به منظور بهبود عملكرد آنها. •پياده سازي برخي از ساختارهايي كه فقط روشها و فرمولهاي آنها بيان شده و تاكنون هيچگونه گزارشي در مورد پياده سازي آنها در ساختارهاي گيرنده ديجيتالي ماهواره اي موجود نيست.

190103

دانشگاه علم و صنعت ايران

دكتر علي اصغر بهشتي شيرازي

الكترونيك

دكتر ستار ميرزاكوچكي