Виды синхронизации приемника и передатчика

Виды синхронизации  приемника и передатчика

Синхронизация несущей частоты. Несущая частота принимаемого сигнала может изменяться по разным причинам, в том числе из-за эффекта Доплера. Необходимость слежения за несущей частотой есть и в простейшем приемнике АМ - сигналов. Если расширять полосу для успешного приема сигнала с нестабильной несущей, увеличивается уровень шумов. Выгоднее применить автоподстройку частоты (АПЧ). АПЧ обязательно выполняется при демодуляции с использованием генерируемого в приемнике опорного сигнала. Если демодуляция когерентная, опорный сигнал должен быть синхронизован не только по частоте, но и по фазе. Для этого применяется система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).

Символьная (тактовая) синхронизация. В цифровой системе, для обеспечения высокой помехоустойчивости, приемник собирает всю энергию сигнала, представляющего текущий символ, к моменту его окончания, когда производится определение принятого символа.  Чтобы знать эти моменты «опроса», в приемнике генерируются импульсы тактовой частоты, указывающие границы символов.

Генератор тактовой частоты синхронизируется  переходами демодулированного сигнала через нулевой уровень. Переходы должны появляться достаточно часто, что обеспечивается соответствующим кодированием в основной полосе частот.

Кадровая (цикловая) синхронизация. При помехоустойчивом кодировании, после ряда этапов кодирования и перемешивания, формируется кадр данных длительностью от десятков бит до нескольких тысяч бит. Для декодирования такого кадра в приемнике необходимо знать начало кадра. Признаком начала кадра является специальная кодовая комбинация, не появляющаяся в информационной части кадра.

В системах с временным разделением каналов каждому абоненту выделяется определенный интервал времени (слот, канальный интервал) в кадре (цикле, фрейме), содержащем фиксированное число слотов. Чтобы не перепутать каналы, первый слот отводят для передачи кодовой комбинации, указывающей начало кадра (frame alignment word FAW).

Для выделения служебных сообщений, кодирования и шифрования группа циклов может объединяться в сверхцикл с установкой специальной кодовой комбинации для сверхцикловой синхронизации.

Синхронизация системы с расширением спектра.  Кроме частотной, символьной и кадровой синхронизации выполняется синхронизация по времени опорной псевдослучайной последовательности приемника      и ПСП, модулирующей сигнал в передатчике, с точностью до долей одного элементарного символа ПСП.

Рекомендуемые материалы

Все виды синхронизации требуют затрат времени и применения оборудования, работающего в следящем режиме.

Перечисленные виды синхронизации выполняются приемником. Синхронизацию передатчика, выполняемую, как правило, при наличии двусторонней связи с приемником, называют сетевой синхронизацией.

Методы синхронизации несущей частоты

При наличии несущей частоты в принимаемом сигнале обычно применяется система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Классическая схема ФАПЧ содержит генератор, управляемый напряжением с фазового детектора (ФД). Эта схема является системой регулирования с обратной связью:

Фазовый детектор определяет фазовый сдвиг между сигналом S_on(t) с генератора, управляемого напряжением  (ГУН), и принимаемого сигнала S(t).   Качество подстройки (длительность и форма переходного процесса, точность подстройки в установившемся режиме) зависит от характеристики контурного фильтра (КФ), являющегося корректирующим звеном системы регулирования, и степени нестабильности частоты принимаемого сигнала (величины скачков фазы и частоты, скорости  изменения частоты). Если изменения фазы и частоты превышают «зону захвата» системы автоподстройки, применяется поиск частоты генератора (одного или нескольких) до входа в зону захвата. Техническая реализация системы может быть аналоговой или цифровой.

Есть способы автоподстройки частоты с использованием анализаторов спектра на основе процессоров быстрого преобразования Фурье.

При подавленной несущей в принимаемом сигнале , например, при двоичной фазовой манипуляции, обычная система ФАПЧ не годится. Один из способов восстановления несущей частоты в системе 2ФМ  поясняет рисунок:

Принимаемый сигнал поступает на детектор с квадратичной характеристикой, который, возводя сигнал в квадрат, устраняет скачки фазы и удваивает частоту. Генератор системы ФАПЧ подстраивается под удвоенную частоту, которая затем делится в 2 раза.

В схеме ФАПЧ с квадратурными каналами ошибка автоподстройки генератора по частоте и фазе определяется с использованием двух опорных сигналов генератора, сдвинутых по фазе на  π/2.

При квадратурной манипуляции применяются более сложные варианты построения квадратурной схемы и схемы    с квадратичным детектором. В последней схеме принимаемый сигнал возводится  в четвертую степень, а выделенная из сигнала частота делится в 4 раза.

Главный недостаток систем с восстановлением несущей – возможность фазовой ошибки, равной  π. Ошибка устраняется при демодуляции известной кодовой комбинации, передаваемой в начале сообщения. Чтобы сбой фазы не вызывал инвертирования всей последующей кодовой комбинации, применяют относительное кодирование.

Методы символьной синхронизации

Устройства символьной синхронизации (восстановления тактовой частоты) работают аналогично схемам восстановления несущей частоты, выделяя тактовую частоту из принимаемого сигнала или подстраивая свой генератор тактовой частоты. Ниже рассматриваются некоторые способы выделения тактовой частоты из принимаемого сигнала.

В представленной схеме сигнал x₁(t)  с демодулятора поступает на согласованный фильтр, содержащий интегратор, элемент задержки сигнала на длительность символа T_s  и сумматор. В сигнале на выходе детектора x₄(t)   есть спектральная линия тактовой частоты, которая выделяется полосовым  фильтром и переводится в меандр усилителем с релейной характеристикой (sgn). Сдвиг тактовых импульсов относительно границ символов, зависящий от характеристик элементов системы, компенсируется введением элемента задержки. Сдвиг тактовых импульсов, зависящий от характеристик линии связи, не компенсируется и является причиной появления систематической ошибки синхронизации. Это недостаток систем рассматриваемого типа.

Границы символов можно выделить дифференцированием сигнала с демодулятора, пропустив его предварительно через ФНЧ.

В следующей схеме сигнал с демодулятора перемножается со своей копией, сдвинутой на половину длительности символа. Спектральная линия тактовой частоты, содержащаяся в сигнале – произведении, выделяется полосовым фильтром.

Символьная синхронизация в системах с непрерывной фазой осложняется тем, что явные границы символов отсутствуют. Влияние ошибок фазовой и символьной синхронизации аналогично и разделить эти ошибки трудно. Для синхронизации применяются достаточно сложные методы цифровой обработки сигнала.

Символьная синхронизация со стробированием

"21 Беларусь в период революции 1905-1907 гг." - тут тоже много полезного для Вас.

Генератор ГУН, управляемый напряжением, формирует две последовательности строб - импульсов, сдвинутых относительно друг друга на интервал времени d  (оптимальное значение d зависит от характеристик принимаемых сигналов). Суммарная длительность стробов равна длительности символа T_s. Строб -импульсы задают время интегрирования сигнала с демодулятора в двух каналах: «опережающем» и «отстающем».

При синхронизации тактового генератора интеграторы в обоих каналах накапливают одинаковое количество энергии. Результирующий сигнал на входе контурного фильтра КФ нулевой (диаграмма «а»). При положительном фазовом сдвиге (диаграмма «б», сдвиг небольшой, знаки 0 и 1 чередуются) сигнал с интегратора опережающего канала меньше, т.к. интегратор получает сигнал, меняющий полярность во время интегрирования. Контурный фильтр получает напряжение отрицательной полярности. При отрицательном фазовом сдвиге (диаграмма «в», сдвиг значительный) в интеграторе опережающего канала накапливается больше энергии. На контурный фильтр приходит напряжение положительной полярности. Во время поступления серий повторяющихся нулей или единиц оба интегратора выдают одинаковые сигналы. На вход ГУН поступает усредненный сигнал с КФ.

Синхронизацию ПСП приемника в системах с расширением спектра выполняют в два этапа. Грубая синхронизация с точностью до одного элементарного символа ПСП выполняется сдвигом ПСП на 1, 2,… элементарных символа до тех пор, пока функция корреляции опорной и принимаемой ПСП не превысит заданный порог. Второй этап синхронизации с точностью до долей элементарного символа выполняется аналогично символьной синхронизации со стробированием.

Приемник формирует две ПСП, сдвинутых по времени относительно друг друга на Т_эс, и вычисляет функции корреляции R₁ и R₂ этих ПСП с принятой ПСП. Вариант а) соответствует точной синхронизации. Обе ПСП приемника одновременно сдвигаются в пределах интервала Т_s  до тех пор, пока среднее значение сигнала R₁-R₂ не станет равным 0. Усреднение по всей ПСП исключает влияние шума и разброса границ элементарных символов ПСП на точность синхронизации.