Тема 8. Системы синхронизации (Материалы лекций)

Интересно сравнить степень влияния на помехоустойчивость ошибок фазовой и тактовой синхронизации при заданном отношении сигнал/шум в канале. Для этого допустим, что тактовая частота формируется из опорной, равной частоте несущей, путем деления на й„. Тогда флуктуации фазы тактовой частоты будут меньше флуктуаций фазы опорной частоты в /г„раз. Из этого следует, что в режиме слежения, когда неоднозначность отсчета фазы тактовой частоты устранена, в основном будут влиять на помехоустойчивость ошибки устройства фазовой синхронизации. Это утверждение справедливо и тогда, когда опорная и тактовая частоты формируются от разных генераторов. 10.3.

Фазовая синхронизация 10.3.1. Фазовая автоподстройка частоты Система ФАПЧ (см. рис. 10.1, б) является основным звеном устройств синхронизации отсчетов времени. Она в том или ином виде входит в УФС и УТС демодулятора и служит для фильтрации синхроколебания. Работу ФАПЧ можно характеризовать режимами слежения и захвата. В режиме слежения частоты входного и опорного сигналов одинаковы. С фазового детектора снимается напряжение, пропорциональное соз(ф), где в — разность фаз между входным и опорным сигналами. Этим напряжением управляется по частоте (фазе) УГ так, чтобы свести рассогласование к и/2.

Включив фазовращатель на и/2, можно компенсировать постоянный фазовый сдвиг между входным и опорным сигналами. В установившемся режиме значение е определяется параметрами ФАПЧ, печальней разностью частот между входным и опорным сигналами и уровнем шумов на входе. Если систему ФАПЧ рассматривать как четырехполюсник, в котором выходным сигналом являются колебания УГ, то по своим свойствам она подобна следящему полосовому фильтру.

Характеризовать работу такого следящего фильтра можно следующими параметрами: ° шумовой полосой Р (полосой пропускания); ° полосой удержания Р„(максимальным изменением частоты входного колебания, при котором ФАПЧ, находясь в режиме слежения, сохраняет работоспособность); к полосой захвагпа Р, (максимальной расстройкой между частотой входного колебания и частотой управляемого генератора, при которой после включения ФАПЧ начинает следить за фазой входного колебания, входит в синхронизм); 266 ° временем ввода в синхронизм Т, которое характеризует продолжительность переходного процесса от момента включения сигнала на входе до момента установления равенства частот входного'сигнала и сигнала управляемого генератора. Анализ работы системы ФАПЧ, особенно в режиме захвата и при воздействии помех, представляет сложную математическую задачу.

Сложность ее решения определяется тем, что поведение ФАПЧ описывается нелинейным дифференциальным уравнением. Обозначим частоты входного и опорного сигналов соответственно через шо+ /)ш (б и шо+ Ьш,„(/), где шо — центральная частота', а бш (б и Жо„(б — изменение ее во времени для входного и опорного сигналов. Тогда разность частот входного сигнала и опорного Ьш(б = = Ьщ„(/) — Ьш„(/). Рассматривая Ьщ (/) как входное воздействие на систему, а йи(/) = ае(/)/аг как реакцию системы, можно записать дифференциальное уравнение, описывающее ее поведение аф/а/+ ОР(р)К(р) =Лш (/), где Ф вЂ” текущая разность фаз между сигналами управляемого генератора и входным; и — напряжение входного сигнала; Г(е)— нормированная характеристика фазового детектора; К(р) — коэффициент передачи фильтра в операторной форме; рЫ/д/ — оператор дифференцирования; й — коэффициент передачи управляемого генератора, характеризующий приращение частоты управляемого генератора при подаче на его вход постоянного напряжения 1 8.

Характеристика фазового детектора Щ) нелинейна, периодична и определяется формой опорного и входного сигналов. Если аппроксимировать ее полигонапьной кривой (рис. 10.3), то г(Ф) = — (2/х)<р, — и/2 < Ф < и/2.. При малых внешних воздействиях, когда частоты входного и опорного сигналов совпадают, а фазовое рассогласование не превышает п/2, систему ФАПЧ можно заменить эквивалентной линеаризованной моделью (рис. 10.4). Управляемый генератор, для которого частотный сдвиг выходного сигнала пропорционален входному сигналу, а фазовый сдвиг— интегралу от него, выполняет роль интегрирующего звена с коэффициентом передачи в операторной форме ий/р.

Передаточная функция замкнутой линеаризованной системы ФАПЧ Н(р) связана с передаточной функцией фильтра системы К(р) в операторной форме соотношением // Ф,4р) 2ии К(р)/х ~%=%Бакр., 2бт Рис. 10.3. Характеристика фазового детектора Рис. 10хч Линевризованная модель системы ФАПЧ Анапиз этого выражения позволяет сделать вывод, что передаточная функция Н(р) определяется как внутренними параметрами ФАПЧ (О, К(р)), так и внешними (и). Зависимость Н(р) от и нежелательна, и для ее устранения или ослабления применяют автоматическую регулировку усиления (АРУ).

В дальнейшем будем полагать и = 1. Выбор оптимальной формы передаточной характеристики К(р) и коэффициента О является основной задачей при проектировании ФАПЧ. Для определения К(р) достаточно задать Н(р) и затем через нее выразить К(р) РН() ) (Р = ЩБ~Н~~~' Так как ФАПЧ в УС выполняет роль полосового фильтра с частотной характеристикой Н()ш), то важнейшим показателем ка- 1 чества ее работы является шуиовая полоса Р = — ) (Н())в( ОЬ. 2я о Выбрав соответствующим образом К(р) и О, можно получить требуемое значение шумовой полосы.

Однако при этом необходимо помнить, что фильтр„реализующий характеристику Н(р), должен быть устойчивым. Стремление сузить шумовую полосу приводит к уменьшению полосы захвата. Доказано, что полоса захвата в системе ФАПЧ с любым ФНЧ не может быть больше шумовой полосы (31, 32). Уменьшение шумовой полосы влечет за собой также увеличение времени ввода в синхронизм Т . Для ФАПЧ без ФНЧ шумовая полоса, полоса захвата и полоса удержания равны между собой Использовав пропорционально интегрирующий фильтр (рис.

10.5), у которого я+2ы Т1 /Тз 2х х+2ЯТ, где Т1 = ЯаС, Тз = (Я~+Яв) С, можно получить достаточно узкую шумовую полорис 105 Э„„„всквя сУ, если соответствУюшим обРазом высхема пропорционального бРать паРаметРы Яь Яь С. Время ввоинтегрирующего да в синхзронизм в этом случае: Т устройства = 3,5Ы'/гг,х, где дг- расстройка между частотой опорного и управляемого генераторов. Противоречие между улучшением фильтрующих свойств ФАПЧ и уменьшением полосы захвата может быть разрешено, если применить дополнительные поисковые процедуры или изменить параметры ФНЧ (адаптация) на этапе ввода в синхронизм.

В первом случае на вход УГ следует подать пилообразное напряжение„ которое изменяет его частоту. В определенный момент разность частот входного и опорного сигналов оказывается такой, что происходит захват и система входит в синхронизм. Амплитуда пилообразного напряжения должна обеспечивать перестройку генератора в требуемом диапазоне частот, а его период должен быть достаточен для завершения переходных процессов в системе ФАПЧ. При этом методе можно время поиска Т„ориентировочно оценить по формуле Т„и яЬвгс' . Поисковая процедура ввода в синхронизм особенно эффективна, когда бу»Г . Добиться уменьшения Т можно также изменением параметров ФАПЧ 1) и К(р).

На этапе ввода в синхронизм можно расширить полосу пропускания ФАПЧ или увеличить коэффициент передачи (). После того как поиск будет завершен, эти параметры необходимо сделать такими, чтобы обеспечивалось нужное качество слежения. Выбор оптимального режима требует моделирования системы ФАПЧ. 10.3.2. Устройства фазовой синхронизации Системы передачи дискретной информации, в приемном тракте которых для демодуляции сигнала используется когерентное опорное колебание на несущей частоте„получили название когеренгпных.

В качестве демодуляторов в них применяется согласованный фильтр или коррелятор, а основной вид модуляции — фазовый. Опорное напряжение несущей частоты формируется в устройстве фазовой синхронизации (УФС), реализуемом, как правило, на базе ФАПЧ. Спектр сигнала дов(п(шо/+ (х)ш + в(/)) при равновероятной передаче символов х; и девиации фазы ш = 2я/пг не содержит дискретной составляющей на частоте шо. Один из способов ее восстановления основан на том„ что в спектре передаваемого радиосигнала оставляется составляющая достаточной мощности на несущей частоте. Для этого девиацию делают равной (2л — у)/гп. Другой способ предусматривает использование сигнала с полностью подавленной несущей. Чтобы при этом восстановить несущую, сигнал подвергают нелинейным преобразованиям. Рассмотрим способы ФС и оценим их целесообразность в тех или иных конкретных ситуациях.

Спектр сигнала с неполностью подавленной несущей состоит из дискретной и непрерывной составляющих, т. е. смешанный. Для двоичной ФМ сигнала дискретная составляющая на частоте шо определяется как ~~ сов'в/2. Непрерывная часть спектра связана со случайным чередованием нулей и единиц в сообщении и определяется как го(го) = 24озТ з(пд Ж ) в'" г(го гоо)Тс/2] (,2! ((го-гоо)Т,/2]г Для двоичной ФМ с произвольной девиацией фазы ш при идеальном канале синхронизации вероятность ошибки ~ -~-с[,Ро-,,)], (10.3) г где гм = — ] з,(г)аг(г)г/г = сов(цю) — коэффициент взаимной корреоо ляции сигналов з1(/) и зо(6. Из (10.3) следует, что вероятность ошибки оказывается минимальной при ш = к.

Однако в этом случае в спектре сигнала 270 будет отсутствовать дискретная составляющая на частоте ьь. Соотношение между мощностью дискретной составляющей и мощностью непрерывной составляющей зависит от девиации фазы ш. Изменяя значение ш, можно добиться оптимального режима работы системы передачи в целом. Под оптимальным режимом следует понимать такой, для которого при прочих равных условиях достигается минимальное значение вероятности ошибки. В канале синхронизации дисперсия флуктуаций фазы ,я Р.(Ь[о+6(уо)) ПГоР, г[' у'[ Р, созз(щ(2) Р, созз(Хг/2) ~ [, 2/ Влиянием ошибок синхронизации на р „(Ьу), как ранее указывалось, можно пренебречь при ог ь (0,2...0,3).

Поэтому, если допустить, что на передачу информации отводится большая часть мощности сигнала, то рассматриваемый способ формиро- 1 вания синхросигнала можно применять при 0= — >1О. Это Г~~, означает, что полоса пропускания фильтра Е в канале синхронизации должна быть существенно меньше ширины спектра информационного сигнала.

В противном случае помеха, создаваемая ФМ сигналом, делает прием неэффективным. Оптимальное соотношение между мощностью синхросигнала Р„и полной мощностью сигнала Р, с учетом ошибок, вносимых СС, можно оценить по формуле [31[ Ж Заметим, что когда 0 велико по сравнению с Л, (Р, [Р ) = г' т'И~О. Использование части мощности сигнала на синхронизацию приводит к потере помехоустойчивости. Этого можно избежать, если выделить синхросигнал непосредственно из принимаемого путем нелинейного преобразования.