Contribuição ao estudo e projecto de sincronizadores de sinais em RF e MW

Abstract

O presente trabalho é dedicado ao estudo e caracterização de sistemas de sincronismo em radiofrequência e microondas, com aplicação preferencial na sincronização de símbolos em comunicações digitais de ritmo elevado. Inicialmente abordam-se os sistemas realimentados sendo dada especial atenção à malha de engate de fase com injecção (PLLI). Posteriormente trata-se o problema da recuperação de sinais de sincronismo com estruturas em malha aberta. Estudos anteriores, revelaram que a PLLI possui excelente desempenho como sincronizador de sinais; no entanto, o pouco rigor utilizado, tanto na análise teórica como nos resultados experimentais apresentados, levantou muitas dúvidas, e deixou em aberto esta área de investigação. Uma parte significativa desta tese é dedicada à clarificação das características deste sistema, desenvolvendo-se um novo modelo, suportado por validação experimental conveniente. Para efectuar esta validação projecta-se, e caracteriza-se experimentalmente um protótipo, a 50 MHz, comparando as suas características com as obtidas teoricamente ou por meio de simulação. Em seguida aplicam-se os conhecimentos, entretanto adquiridos, ao desenho de um sincronizador, baseado numa PLLI, a operar 2.4 GHz. As medições efectuadas mostraram que as suas principais características estão de acordo com as expectativas de projecto. Na parte final do trabalho são analisados os circuitos de sincronismo de sinais para frequências superiores a 10 GHz, onde a execução de sincronizadores em malha fechada se revela tecnologicamente difícil de conseguir. Como aplicação projecta-se, implementa-se e caracteriza-se um sincronizador em malha aberta, filtro de elevado factor de qualidade para uma comunicação digital a 20 Gbit/s.

The work described in this thesis deals with the study and characterization of synchronization systems used at RF and microwave bands, mainly to achieve symbol synchronization in high bit rate digital communications. First, feedback systems are studied with special attention given to the phase locked loop with injection (PLLI). Afterwards the problem of synchronization of signals with open loop structures is assigned. Previous works claimed for the PLLI excellent perfomance as signal synchronizer. Unfortunately these claims were not supported by rigorous theoretical analysis or experimental validation, and gave rise to some controversy. A significant part of the present thesis is devoted to the understanding of the characteristics and performance of this loop. A novel model for analysis of the PLLI is developed, and experimental validation is presented using a prototype designed for a frequency of 50 MHz. The obtained know-how is used to design a synchroniser, based on a PLLI working at 2.4 GHz. The measurements have shown good agreement between the experimental results and design specifications. In the final part of this work, synchronization circuits for frequencies higher than 10 GHz, where the closed loop structures are technologically difficult to achieve, are analysed. As an application an open loop synchronizer, with a high quality filter, for a digital 20 Gbit/s communication link is designed, implemented and tested.