Тактовая синхронизация

Синхронизация в цифровых системах связи

Синхронизацией называют процесс установления и поддержания определенных временных соотношений между двумя и более процессами.

В цифровых системах связи с фазовой манипуляцией на приемной стороне необходимо обеспечить режим когерентной демодуляции. Для этого в приемном устройстве формируется опорное гармоническое колебание, совпадающее по частоте и фазе с несущим колебанием. Это обеспечивает подсистема синхронизации по несущему колебанию.

На выходе демодулятора при нормальной его работе, независимо от используемого вида модуляции, необходимо восстановление нормальной цифровой формы принимаемых элементов двоичной последовательности. Это возможно только тогда, когда на приемной стороне есть источник тактовой последовательности импульсов, частота следования которых в точности равна частоте следования двоичных символов в принимаемой последовательности , а их временное положение жестко связано с положением двоичных элементов в принимаемой последовательности. Эту задачу решает подсистема тактовой синхронизации (ПТС). Тактовая последовательность импульсов необходима также в дальнейших преобразованиях восстановленной (регенерированной) последовательности в частности для преобразования последовательного формата кодовых комбинаций в параллельный.

Однако, наличие только тактовой синхронизации источника тактовой последовательности импульсов не может обеспечивать разделение непрерывной битовой последовательности на выходе регенератора на отдельные кодовые комбинации. Это разделение обеспечивает подсистема групповой синхронизации(ПГС).

Тактовая синхронизация

Этот вид синхронизации, называемый также поэлементной синхронизацией, состоит в поддержании синхронизма и синфазности формирования тактовой последовательности импульсов на приемной стороне радиолинии с принимаемой двоичной последовательностью. То есть частота тактовых импульсов F_т должна быть точно равна частоте следования двоичных символов R_т в принимаемом сигнале (синхронизм). Кроме этого формируемые тактовые импульсы должны быть расположены относительно двоичных символов принимаемой последовательности вполне определенно (синфазность), как того требует то или иное преобразование принимаемой двоичной последовательности при ее обработке (например при регистрации принимаемого сигнала или при преобразовании формата из последовательного в параллельный или при временном разделении каналов).

Таким образом, в системах радиосвязи с конфигурацией типа «точка – точка» тактовый генератор на передающей стороне, с помощью которого формируется передаваемая двоичная последовательность импульсов, является ведущим, а формирователь тактовой последовательности импульсов на приемной стороне является ведомым, отслеживая изменения частоты и фазы ведущего тактового генератора.

Передача тактовой информации из передающей части системы в приемную может производиться двумя путями:

- передачей тактовой информации по специально отведенному каналу, ценою сокращения пропускной способности системы передачи;

- выделением тактовой информации из принимаемой информационной двоичной последовательности импульсов.

Возможен и комбинированный подход, когда тактовую информацию передают совместно с сигнальной по одному и тому же каналу (например с использованием биимпульсного кода), однако это можно осуществить ценою снижения информационной скорости передачи, либо ценою расширения спектра частот передаваемой последовательности импульсов.

Первый путь передачи тактовой информации иногда называют передачей с использованием пилот – сигнала.

Существуют два способа передачи тактовой информации с помощью пилот – сигналов:

- с модуляцией несущего гармонического сигнала тактовой последовательностью импульсов;

- с использованием двух немодулированных колебаний, рассредоточенных в частотной области расположения спектра информационного сигнала.

По первому способу для передачи тактовой последовательности создается специальный отдельный частотный канал, по которому передается гармоническое колебание, модулированное по амплитуде, частоте или фазе меандром тактовой частоты.

На приемной стороне после демодуляции этот сигнал выделяется соответствующим фильтром, и из него формируется необходимая для тактовой синхронизации последовательность импульсов, используемая для регенерации цифровых сигналов во всех других каналах многоканальной системы связи с частотным разделением каналов (ЧРК).

Достоинство способа заключается в простоте организации и надежности синхронизации. Недостаток – это сокращение пропускной способности многоканальной системы связи. Считается, что этот способ может быть применим при числе каналов в системе большем 10.

По второму способу параллельно с передачей сигнала с несущей частотой и занимающего частотный диапазон , вне этого диапазона в непосредственной близости к границам его на частотах и передаются два немодулированных, а поэтому занимающих небольшие полосы частот, гармонических колебания. На приемной стороне формируют (например: в балансном демодуляторе ) разностную частоту ( - ), которая далее служит основой для формирования тактовой последовательности импульсов путем деления частоты на необходимый коэффициент деления . Очевидно, что и на передающей стороне точно так же должна формироваться тактовая последовательность импульсов. Здесь пилот – сигналы занимают малую полосу частот в групповом канале связи.

Существенным недостатком этого способа является неопределенность фазы, тактовой последовательности импульсов, возникающая вследствие деления разностной частоты ( - ) на .

В современных малоканальных, да и в многоканальных системах радиосвязи применяют второй подход к получению на приемной стороне тактовых импульсов. Он заключается в выделении тактовый информации из принимаемой двоичной последовательности импульсов. Она там есть, но в неявной форме. Спектр двоичной последовательности импульсов со случайным чередованием «0» и «1» имеющих длительность является сплошным с огибающей, описываемой функцией

,

значение которой на частоте равно нулю. Поэтому непосредственное выделение гармоники тактовой частоты из спектра принимаемого сигнала линейным фильтром, настроенным на частоту невозможно. Однако, в частоте смены логических уровней передаваемой двоичной последовательности импульсов содержится тактовая информация, которую необходимо выделить.

Это выделение связано с нелинейными преобразованиями принятого сигнала, полученного на выходе демодулятора. Первой такой операцией является распознавание сигналов (двоичных символов) путем сравнения выходного напряжения демодулятора с порогом распознавания, равным нулю при ЧМ и ФМ. На выходе распознавателя получается двухуровневое напряжение, переход между уровнями которого называют значащими моментами. Последовательность коротких импульсов расположенных в точках значащих моментов имеет дискретный спектр в составе которого уже имеется гармоника тактовой частоты. Временные диаграммы упомянутых напряжений и соответствующие им амплитудные спектры изображены на рисунке 83 (1 и 2).

Рисунок 83.

Уровень гармоники тактовой частоты в спектре последовательности импульсов значащих моментов мал. Для его увеличения и последующего надежного выделения гармоники тактовой частоты, например узкополосным фильтром, импульсы значащих моментов расширяют до длительности, равной (диаграмма 3). На рисунке 83 приведена также функциональная схема выделения гармоники тактовой частоты по описанной выше процедуре. На этом рисунке ФИЗМ – формирователь импульсов значащих моментов, РИ – расширитель импульсов, ПФ – полосовой фильтр, настроенный на F_T = R_Т.

Реальный сигнал на выходе различителя имеет краевые искажения. Кроме этого в нем встречаются серии единичных и нулевых элементов случайной длительности, в пределах которых отсутствуют импульсы значащих моментов. Это приводит к тому, что в спектре реальный последовательности импульсов значащих моментов дискретные составляющие, строго говоря, не являются гармониками, а представляют собой расплывчатые зоны спектра с максимумами в точках частотной оси, кратных R_т. Следствием этого является случайные фазовые дрожания гармонического колебания на выходе узкополосного фильтра. Эти дрожания называют джиттером. Чем более добротный фильтр ПФ используется, тем меньше джиттер.

Подсистемы тактовой синхронизации, построенные на основе выделения тактовой информации из принимаемого сигнала, могут быть разомкнутыми и замкнутыми.