Дослідження кіл синхронізації цифрових систем зв’язку

ДОСЛІДЖЕННЯ КІЛ СИНХРОНІЗАЦІЇ ЦИФРОВИХ СИСТЕМ ЗВ’ЯЗКУ

RESEARCH OF SYNCHRONIZATION CIRCUITS FOR DIGITAL COMMUNICATION SYSTEMS

Сторінки: 113-121. Номер: №5, 2022 (313)  
DOI: https://www.doi.org/10.31891/2307-5732-2022-313-5-113-121
Автори: БОЙКО Юлій
Хмельницький національний університет
ORCID: 0000-0003-0603-7827
e-mail: boiko_julius@ukr.net
ПЯТІН Ілля
Хмельницький політехнічний фаховий коледж національного університету «Львівська політехніка»
 ORCID: 0000-0003-1898-6755
e-mail: ilkhmel@ukr.net
МОКРИЦЬКИЙ Андрій
Хмельницький національний університет
e-mail: AndriyAssassin@i.ua
BOIKO Juliy, MOKRYTSKY Andriy
Khmelnytskyi National University
PYATIN Ilya
Khmelnytskyi Polytechnic, Professional College by Lviv Polytechnic National University

Анотація мовою оригіналу

В роботі наведено результати досліджень різних характеристик цифрової системи ФАПЧ (час досягнення блокування; встановлена помилка; перехідна поведінка) для різних видів вхідної дії. Досліджено коефіцієнт бітових помилок когерентної цифрової системи зв’язку. Визначено перехідний процес системи ФАПЧ під час адаптації. Наявність нульової фазової помилки визначається контурним фільтром ФАПЧ. Ширина смуги контуру та початкове відхилення між вхідною та опорною частотами впливають на час адаптації ФАПЧ. Коефіцієнт загасання ФАПЧ впливає на поведінку адаптації: швидкість і величину викидів.
Ключові слова: фазове автопідлаштування частоти, фазовий детектор, генератор з числовим керуванням, контурний фільтр, коефіцієнт загасання.

Розширена анотація англійською  мовою

In a digital communication system, the transmitter and receiver have several generators for modulation and demodulation; increasing and decreasing the sampling frequency; synchronization of symbols and bit streams. The causes of phase and carrier frequency errors are the instability of the frequency of the local generators of the transmitter and receiver; presence of Doppler frequency shift; signal propagation delay from the transmitter to the receiver. Synchronization circuits of modern digital communication systems are built on the basis of phase-locked loop (PLL). The purpose of the work is: research of various characteristics of the digital PLL (locking time; established error; transient behavior) for various types of input action; study of the bit error rate of a coherent digital communication system. The PLL consists of the following components: a phase detector that generates a signal that varies in proportion to the phase difference between the input signal and a locally generated sinusoid; controlled generator that generates an output signal whose phase and frequency depends on the input signal; loop filter, which removes unwanted high-frequency components in the output signal of the phase detector and forms a signal that controls the NCO. During adaptation, the PLL has some transient process that depends, in particular, on three factors: the presence of a zero-phase error is determined by the PLL contour filter; the determined bandwidth of the circuit and the initial deviation between the input and reference frequencies affect the PLL adaptation time; the attenuation coefficient of the PLL affects the adaptation behavior: the speed and magnitude of emissions. The study of the output signal of the linear PLL model for damping factor ,  and , and we will use an input signal of the step function type, linear voltage changes and hyperbola. type 1, type 2, and type 3 PLLs can adapt to a zero-error step input. If the input signal is a linearly varying voltage, PLL types 2 and 3 can adapt with zero phase error, while type 1 adapts with a residual phase error. For hyperbola input, only type 3 PLL can fully adapt: type 2 adapts with residual error, while type 1 cannot adapt. The damping factor should be in the range of . When changing the input signal frequency from 3.55 MHz to 3.72 MHz, the capture time of the type 2 PLL changes from about 150 μs to about 600 μs, that is, when the frequency increases by 170 kHz, the capture time increases almost four times. The error that has occurred is affected by the choice of the contour filter and the features of the synchronization.
Keywords: phase-locked loop, phase detector, numerically controlled oscillator, loop filter, damping ratio.

Література

1. Karimi-Ghartema M. PLL Structures for Single-Phase Applications. Enhanced Phase-Locked Loop Structures for Power and Energy Applications. Wiley-IEEE Press, 2014, P.1-1.
2. Talbot D. B. A Review of PLL Fundamentals. Frequency Acquisition Techniques for Phase Locked Loops , Wiley-IEEE Press, 2012, P.3-15.
3. Пятін І.С. Система зв’язку з QPSK модуляцією і синхронізацією несучої /І.С. Пятін, В.В. Мішан, О.О. Кухарець // Вісник Хмельницького національного університету. – 2019. – №5. – С.211-217.
4. Berkman L. Designing a system to synchronize the input signal in a telecommunication network under the condition for reducing a transitional component of the phase error / L. Berkman, O. Tkachenko, O. Turovsky, V. Fokin, V. Strelnikov // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. – 2021. – Т. 1. – № 9-109. – С. 66–76.
5. Бойко Ю.М. Порівняльний аналіз детекторів помилки символьної синхронізації когерентної системи цифрового зв’язку з модуляцією QPSK / Ю.М. Бойко І.С. Пятін // Зв’язок. – 2019. – №6. – С. 12-18.
6. Козловський В. В. Синтез складного розімкнутого зв’язку в системі синхронізації при умові мінімізації дисперсії фазової помилки в ході стеження за несучою частотою / В. В. Козловський, О. Л. Туровський // Вісник Хмельницького національного університету. – 2020. – С. 162 -168.
7. Туровський О. Л. Оцінка можливостей підвищення ефективності роботи системи синхронізації радіотехнічного пристрою в ході стеженні за несучою частотою / О. Л. Туровський // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – 2020. – № 1. – С. 116–122.
8. Бойко Ю. М. Проблеми синтезу пристроїв тактової синхронізації приймачів супутникових телекомунікаційних систем передачі інформації / Ю. М. Бойко, О. І. Єрьоменко //Вісник Національного технічного університету України Київський політехнічний інститут. Серія: Радіотехніка. Радіоапаратобудування. – 2014. – №. 58. – C. 55-66.
9. Huang S. Low-Noise Fractional-N PLL With a High-Precision Phase Control in the Phase Synchronization of Multichips / S. Huang, S. Liu, M. Liu, J. Hu and Z. Zhu // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. – 2018. – T. 28, N. 8. –. P. 702-704.
10. Boiko J. Study of the Influence of Changing Signal Propagation Conditions in the Communication Channel on Bit Error Rate / J. Boiko, I.Pyatin, L. Karpova, O. Eromenko //Data-Centric Business and Applications. – Springer, Cham, 2021. – С. 79-103.
11. Шкурупій C. C. Аналіз методів синхронізації еталонних частотно-часових сигналів військовим користувачам / C.C. Шкурупій, В.М. Пилипенк, О.О. Клімішен, М.І. Кожушко, І.О. Атаманенко // Наука і техніка Повітряних Сил Збройних Сил України. – 2021. – № 4 (45). – С. 116–123.
12. Бойко Ю.М. Методика обробки та синхронізації сигналів у програмно-обумовлених радіосистемах з OFDM / Ю.М. Бойко, І.С. Пятін, І.Р. Пархомей // Вісник Хмельницького національного університету. – 2022. – №2. – C. 123-132.
13. Туровський О. Л. Особенности и задачи по оценке несущей частоты современных спутниковых систем передачи данных / О. Л. Туровський, С. В. Панадій, Н. О. Ліщиновська // Телекомунікаційні та інформаційні технології. – 2020. – № 1. – С. 174–187.
14. Berkman L. Analyzing the code structures of multidimensional signals for a continuous information transmission channel / L. Berkman, O. Turovsky, L .Kyrpach, O. Varfolomeeva, V. Dmytrenko, O. Pokotylo // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. – 2021 – Т. 5. – № 9. – С. 70–81.
15. Pyatin I., Boiko J., Eromenko O. Design and Simulation of Synchronization Systems in Telecommunications with QPSK //2020 IEEE 2nd International Conference on Advanced Trends in Information Theory (ATIT). – IEEE, 2020. – С. 98-103.

References

1. Karimi-Ghartema M. PLL Structures for Single-Phase Applications. Enhanced Phase-Locked Loop Structures for Power and Energy Applications. Wiley-IEEE Press, 2014, P.1-1.
2. Talbot D. B. A Review of PLL Fundamentals. Frequency Acquisition Techniques for Phase Locked Loops, Wiley-IEEE Press, 2012, P.3-15.
3. Pyatin I.S. Сommunication system with QPSK modulation and carrier synchronization / I.S. Pyatin, V.V. Mishan, O.O. Kuharets// Herald of Khmelnytskyi national university. – 2019. – №5. – P. 211-217.
4. Berkman L. Designing a system to synchronize the input signal in a telecommunication network under the condition for reducing a transitional component of the phase error / L. Berkman, O. Tkachenko, O. Turovsky, V. Fokin, V. Strelnikov // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. – 2021. – V. 1. – no. 9-109. – P. 66–76.
5. Boiko J. Comparative analysis of timing error detectors for symbol synchronization of the coherent system of digital communication with QPSK modulation / J. Boiko, I. Pyatin // Connectivity. – 2019. – no. 6. – P. 12-18.
6. Kozlovskyi V. V. Synthesis of a complex interconnected relationship in the synchronization system under the minimization of phase error dispersion during discontinuation / V. V. Kozlovskyi, O. L. Turovskyi // Herald of Khmelnytskyi national university. – 2020. – S. 162–168.
7. Turovsky O. Evaluation of possibilities to improve work efficiency systems of synchronization of a radio technical device during carrier frequency tracking / O. Turovsky // Measuring and computing devices in technological processes. – 2020. – № 1 – S. 116–122.
8. Boiko J. M., Eromenko A. I. Synthesis problems of clock synchronization devices for receivers of satellite telecommunication data transmission systems //Bulletin of National Technical University of Ukraine” Kyiv Polytechnic Institute” Series—Radiotechnique. Radioapparatus building. — 2014. – Т. 58. – S. 55-66.
9. Huang S. Low-Noise Fractional-N PLL With a High-Precision Phase Control in the Phase Synchronization of Multichips / S. Huang, S. Liu, M. Liu, J. Hu and Z. Zhu // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. – 2018. – T. 28, N. 8. –. P. 702-704.
10. Boiko J. Study of the Influence of Changing Signal Propagation Conditions in the Communication Channel on Bit Error Rate / J. Boiko, I.Pyatin, L. Karpova, O. Eromenko //Data-Centric Business and Applications. – Springer, Cham, 2021. – С. 79-103.
11. Shkurupii S. An analysis of methods synchronization of reference frequency and time signals to military consumers / S. Shkurupii, V. Pylypenk, O. Klimishen, M. Kozhushko, I. Atamanenko //Nauka i tekhnika Povitrianykh Syl Zbroinykh Syl Ukrainy. – 2021. – № 4 (45). – S. 116-123.
12. Boiko J. Signal processing and synchronization technique in software-defined radio systems with OFDM / J. Boiko, I. Pyatin, I. Parkhomey // Herald of Khmelnytskyi national university. – 2022. – №2. – S. 123-132.
13. Turovsky O. L. Osobennosti i zadachi po ocenke nesushej chastoty sovremennyh sputnikovyh sistem peredachi dannyh / O. L. Turovsky, S. V. Panadii, N. O. Lishchynovska //Telekomunikatsiini ta informatsiini tekhnolohii. – 2020. – № 1. – S. 174-187.
14. Berkman L. Analyzing the code structures of multidimensional signals for a continuous information transmission channel / L. Berkman, O. Turovsky, L .Kyrpach, O. Varfolomeeva, V. Dmytrenko, O. Pokotylo // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. – 2021 – V. 5. – no. 9. – P. 70–81.
15. Pyatin, J. Boiko and O. Eromenko, “Design and Simulation of Synchronization Systems in Telecommunications with QPSK,” 2020 IEEE 2nd International Conference on Advanced Trends in Information Theory (ATIT), 2020, pp. 98-103.