книги из ГПНТБ / Свириденко С.С. Основы синхронизации при приеме дискретных сигналов

В в е д е н и е

Синхронизация іпір.и приеме дискретных сигналов, .которой пос­ вящена .книга, выросла в настоящее время в важную самостоя­ тельную проблему передачи информации, тесно связанную с зада­ чами демодуляции и декодирования сообщений. Теория синхрони­ зации является существенной частью теории оптимальных методов радиоприеме и рассматривается сейчас как одна из определяющих принципиальных сторон теории информации и статистической тео­ рии связи {1, 13—20].

Методы классической теории связи позволяют вычислить про­ пускную способность канала с шумом (21], однако при этом, молча­ ливо предполагается идеальное согласование оптимального прием­ ника по частоте и времени с преніимаемыми сигналами. Всякое на­ рушение синхронизации связано с неизбежными потерями инфор­ мации, которые трудно скомпенсировать увеличением мощности сигнала или снижением скорости передачи. Так, неопределенность во времени принимаемого сигнала вызывает так называемый «вре­ менной» шум [15]. То же самое можно сказать и о неопределен­ ности сигнала по частоте, вызывающей некоторый «частотный шум». Эти шумы ухудшают воспроизведение приемником переда­ ваемой информации даже при отсутствии флуктуационных шумов в канале связи.

Впервые внимание к проблеме синхронизации при .приеме сиг­ налов было привлечено работами А. А. Пистолькорса [22], В. И. Сифорова [23], А. А. Пирогова [17], Р. Г. Баркера [18], С. В. Голоміба [1, 15], В. Гилберта [19]. Подробный, но не .претендующий на полноту перечень литературы по вопросам синхронизации мож­ но найти в обзоре [8].

Остановимся на существе рассматриваемой проблемы. Любой

—> —>

дискретный сигнал можно записать в виде S.(t, А), где Я={Я,-} — вектор паіріаіметров. Для импульсного радиосигнала .параметрами являются частота и фаза несущей, 'амплитуда импульса, момент появления сигнала на .входе .приемника, длительность сигнала, угол поляризации принимаемых колебаний, угол прихода сигнала.

Параметр, .в изменениях которого запечатлен .(закодирован) модулирующий сигнал, назовем .информационным, остальные па­ раметры сигнала — нѳиінфо.рмационными. Среди нѳиінфор'мациоін-

4

ных можно выделять в отделыную подгруппу параметры, связан­ ные с временными категориями: (начальная фаза /несущей ф0, мо­ мент прихода сигнала to, частота несущего колебания или средняя частота спектра сигнала од, частота следования дискретных сиг­ налов или их отдельных элементов (при составных 'Сигналах) Fq.

Назовем их синхроп/араметрами и обозначим вектором ЯС={ЛС*},

в отличие от вектора информационных параметров Аи = {А,п{} . За­ метим, что .при такой классификации остается группа нѳинформационных параметров, таких, как амплитуда сигнала А (энергети­ ческий ліаріаметр), угол поляризации излученных .молебаіний Ѳ, угол прихода сигнала у, которыми .мы в дальнейшем интересовать­ ся не будем.

Известно, что наибольшую помехоустойчивость можно полу­ чить при /приеме сигналов с полностью известными' /параметрами, ибо знание нѳинформационных параметров всегда улучшает прием сигналов. Так, знание амплитуды А позволяет правильно выбрать динамический диапазон приемника и освободиться, например, от нелинейных искажений; анаше 0 и у — правильно выбрать антен­ ны. А без акания синхропараметров часто вообще нельзя прини­ мать сигналы.

При оптимальном приеме дискретных сигналов синхронизация означает установление временного соответствия между /принимае­ мым сигналом, с одной стороны, и демодулятором и декодером

•приемника, с другой. Для /приемников с последетекторным накоп­ лением необходима синхронизация демодулятора по частоте и декодера по времени. Последняя состоит в определении моментов /начала кодовых посылок и мест разделительных знаков между кодовыми словами. Иначе говоря, синхронизация заключается в оценке .неизвестных синхропараметров принимаемого сигнала и со­ ответствующем управлении приемником, структура которого огра­ ничена коррелятором (или .согласованным фильтром) и системой синхронизации. Критерием оптим/ально.сти управления может быть максимум .помехоустойчивости прием/а /информации.

Практически синхронизация /необходима для работы любой дис­ кретной /системы связи .независимо от того, используется в ней ко­ дирование или .нет, т. е. любая система передачи дискретной ин­ формации является /в той или иной степени синхронной {1—8].

Прием информации в дискретной форме .складывается из двух принципиальных операций: а) демодуляции, в результате которой входные колебания отождествляются с определенными кодовыми

•символами, б) декодирования, при котором символы отождествля­ ются с .сообщением. Непременным условием осуществления опти­ мальной демодуляции 'сигналов является знание синхрон араметров сигнала на /входе приемника. Правильное декодирование возможно только при /наличии на приемном конце канала информации о мес­ тах разделительных знаков в последовіательноетях кодовых сим­ волов. ’Неправильное декодирование /происходит тогда, когда

.«-буквенное сообщение кодируется /-элементными 'комбинациями

5

входного .алфавита и приемник не может априорно разбить прини­ маемую 'последовательность на эти комбинации. Для правильного декодирования пріибегают к .опецнальпіому кодированию дискрет­ ной информации, используя коды без запятой, самосинхрониѳирующиеся коды іи псевдослучайные сигналы в качестве специаль­ ных синхросигналов.

Известно, что наиболее простым :и в то же время наиболее по­ мехоустойчивым является оптимальный приемник сигналов с пол­ ностью известными параметрами (приемник Котельникова). По­ этому вполне естественно желание разработчиков систем радио­ связи использовать этот приемник для .обнаружения и фильтрации полезных сигналов в шуме.

При проектировании систем оптимального приема сигналов ру­ ководствуются одним из двух взаимоисключающих предположений о параметрах сигнала: а) параметры сигнала считают точно изве­ стными ів течение сеанса связи; б) параметры сигнала 'полностью неизвестны. В реальных каналах связи принимаемый сигнал нель­ зя считать полностью известным вследствие неоднородности среды, в которой он распространяется, непредвиденных допплеровских сдвигов частоты, нестабильности характеристик приемника и пере­ датчика. Эти факторы вызывают деформацию сигнала. Выражает­ ся эта деформация в том, что происходят .случайные изменения частоты и фазы несущей, изменяется время запаздывания. В ре­ зультате передаваемый сигнал на приемной стороне канала ока­ зывается сигналом со случайными параметрами, причем в основ­ ном со случайными оинхроіпаіраметрами.

Прием сигналов с неизвестными или частипно неизвестными синхропараметрами можно осуществить либо онтиміальным прием­ ником для сигналов с неизвестными параметрами либоодноканальным приемником Котельникова, работающим в 'совокупности с системой синхронизации. Разработчики систем связи далеко не всегда отдают предпочтение приемникам, ,оптимальным для сигна­ лов с полностью неизвестными параметрами. Объясняется это тем, что такие приемники при значительной неопределенности синхропараметров нереальны из-за своей сложности, промоздкости и вы­ сокой стоимости, и тем, что .можно использовать синхронизирован­ ный приемник Котельникова.

Синхронной системой связи назовем систему, в которой для приема .оипнала с неизвестными синхропараметрами используются одноканальный приемник Котельникова и система синхронизации, осуществляющая поиск, если это необходимо, оценку неизвестных скнхропараметров сигнала и подстройку .приемника для достиже­ ния наіилучшего соответствия между принимаемыми сигналами и алгоритмом работы приемника.

Синхронные системы при условии достаточно .медленных .изме­ нений параметров сигнала обладают, по крайней мере, двумя преимуществами перед системами, оптимальными для сигналов с полностью неизвестными параметрами: а) большей помехоустойчивостыо при том же отношении сигнал/шум; б) .возможностью ис­

6

пользования более лом exоусто йчивых видов и.нформацианіной ма­ нипуляции. Бесыма показательными являются -графики помехоус­

нельзя считать .исчерпывающей характеристику ‘синхронизации как средства повышения точности и надежности передачи информа­ ции [10].

7

Принципы построения синхронных систем связи

1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ СИНХРОНИЗАЦИИ ПРИ ИЗВЛЕЧЕНИИ ИНФОРМАЦИИ

Применительно к 'приему дискретны« сигналов оптимальными методами можно рассматривать следующие виды синхронизации:

'В р ем ен я а я оиін х р о н и з а д и я

1. Синхронизация по моменту прихода сигнала фСМП) необхо­ дима для определения моментов начала генерирования опорного сипналіа в приемнике с активным фильтром или моментов отсчета напряжения на согласованном фильтре в приемнике о пассивным фильтром.

2.Фазовая синхронизация (ФС) демодулятора осуществляется, если момент прихода радиосигнала необходимо знать е точностью до фазы высокочастотного заполнения. Такая синхронизация, как правило, іне исключает необходимости синхронизации демодулято­ ра по моменту прихода огибающей сигнала.

3.Блочная синхронизация (БС) необходима для определения мест разделения кодовых слов. С помощью блочной 'синхронизации при условии синхронизации модулятора по всем синхр опар аметрам сигнала производится .преобразование кодированных сигналов в

элементы сообщения.

Ча с т о т н а я с и н х р о н и з а ц и я

1.Высокочастотная синхронизация (ВЧС) предусматривает со­ ответствие средней частоты спектра принимаемого сигнала частоте

настройми демодул яторн.

2.Тактовая синхронизация, или синхронизация тактовой часто­

ты (СТЧ), определяет частоту повторения .сигнала или его эле­ ментов. При передаче информации элементарными импульсами (простыми сигналами) момент прихода 'Сигнала и тактовая часто­ та связаны таким же функциональным преобразованием, как ча­ стота и фаза гармонического сигнала. В этом случае вместо тер­ мина «временная синхронизация» можно употреблять термин «тактовая синхронизация». При передаче информации дискретны­

9