Устройства синхронизации

В современных цифровых телекоммуникационных системах используют 4 группы устройств синхронизации. Говорят что подсистема синхронизации состоит из 4-х групп устройств:

1. Устройства синхронизации по спектральной компоненте несущей частоты

В передающей части системы спектральная компонента несущей частоты не добавляется специально или отдельно к передаваемому радиосигналу. Спектральная компонента несущей частоты либо содержится в спектре радиосигнала в результате модуляции, либо может быть воспроизведена (восстановлена) в спектре сигнала путём соответствующего преобразования радиосигнала.

Спектральная компонента несущей частоты используется в демодуляторе в качестве опорного сигнала и выделяется из спектра принятого сигнала с помощью следящего сверхузкополосного фильтра. В качестве такого следящего сверхузкополосного фильтра для выделения спектральной компоненты несущего сигнала используют устройство, которое называют устройством фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ)

Упрощённая функциональная схема фапч

ФД – фазовый дискриминатор

ФНЧ – фильтр нижних частот

УУ – устройство управления

УГ – управляемый генератор

УГ генерирует гармонический сигнал с частотой близкой к предполагаемой частоте спектральной компоненты несущего сигнала. Близкой потому что не известно какова на самом деле будет эта частота – известно её первоначальное значение, но как её изменит эффект Доплера никому не известно. При этом под воздействием УУ частота и фаза сигнала с УГ может изменяться в пределах предполагаемого диапазона изменений частоты спектральной фазы, спектральной компоненты несущего сигнала под влиянием эффекта Доплера. При этом частота сигнала генерируемого УГ может изменяться в пределах предполагаемого изменения частоты и фазы спектральной компоненты несущего сигнала под воздействием эффекта Доплера. Сигнал, генерируемый УГ, поступает на ФД, на второй вход которого поступает радиосигнал. Если в спектре радиосигнала содержится спектральная компонента несущего сигнала достаточной интенсивности (мощности), то на выходе ФД формируется сигнал, уровень которого зависит от различия частоты и фазы спектральной компоненты принятого радиосигнала по отношению к частоте и фазе сигнала генерируемого УГ. Этот сигнал, отфильтрованный в ФНЧ, через УУ воздействует на УГ таким образом, чтобы приблизить частоту и фазу сигнала УГ к частоте и фазе спектральной компоненты принятого радиосигнала. Т.е. схема стремится к совпадения частоты и фазы сигнала УГ и спектральной компоненты несущего сигнала. Т.е. такая система ФАПЧ является по существу следящим фильтром, всё время отслеживающим изменения частоты и фазы несущего сигнала. Однако, в жизни часто встречается ситуация когда в спектре принятого радиосигнала интенсивность спектральной компоненты несущего сигнала невысока. Если изменение фазы, скажем при фазовой манипуляции осуществляется на π радиан и если частота следования символов "1" и "0" одинакова, т.е. они равновероятны, то в этом случае в спектре принимаемого радиосигнала спектральная компонента несущей частоты будет небольшой интенсивности. В этом случае с высокой вероятностью возможна ситуация, что говорят "ФАПЧ зацепится"(выделит) не за несущую частоту, а за ближайшие спектральные компоненты большей интенсивности.

Чтобы этого не произошло, до устройства ФАПЧ производят преобразования, позволяющие увеличить интенсивность спектральной компоненты несущей частоты. Для этого нужно – как говорят "снять фазовую манипуляцию". Казалось бы проблема зацикливается: для того чтобы демодулировать, а демодулировать тоже означает снять фазовую манипуляцию нужно первоначально снять фазовую манипуляцию. Но это не совсем так. Есть радиосигнал, который представляет собой последовательность радиоимпульсов, фаза которых меняется на π радиан.

(4)

φ_х меняется на π радиан – либо 0, либо π радиан. Для того чтобы снять фазовую манипуляцию, не осуществляя демодуляцию, достаточно этот сигнал возвести в квадрат:

(5)

φ_х было либо 0, либо π радиан – либо 0, либо 2π, что одно и то же. Т.е. таким образом избавляются от фазовой манипуляции. Но при этом перешли с несущей частоты на удвоенную несущую частоту. УГ настраивают не на несущую частоту, а на удвоенную несущую, а частоту полученного сигнала нужно разделить на два. В этом случае схема селекции спектральной компоненты несущей частоты будет выглядеть следующим образом:

При работе этой схемы возникают две взаимопротиволожные проблемы: проблема помехоустойчивости и проблема динамичности. Точность селекции спектральной компоненты несущей частоты будет определяться полосой пропускания следящего фильтра (ФАПЧ) – чем уже полоса пропускания, тем меньше помех пройдёт и меньше ошибка будет в выделении спектральной компоненты несущей частоты. Но с другой стороны чем более узкополосный фильтр, тем он более инерционен. И если под воздействием эффекта Доплера спектральная компонента несущей частоты будет изменяться быстро, т.е. взаимное перемещение передатчика и приёмника будет осуществляться с большой скоростью, то этот следящий фильтр потеряет спектральную компоненту несущей частоты. С одной стороны нужен узкополосный фильтр, чтобы было меньше помех и точнее выделять, а с другой стороны чтобы успевать за изменениями спектральной компоненты несущей частоты.

Ч

1^ч 10^м 07^с

тобы разрешить этот конфликт схему селекции спектральной компоненты несущей частоты усложняют. Т.е. система ФАПЧ усложняется. Говорят "увеличивают степень астотизма" чтобы и динамика была хорошей и шумовая ошибка была небольшой.

2. Устройства синхронизации символьной (тактовой)

Символьная синхронизация формирует в передающей части системы сигнал, соответствующий границам символов с учётом воздействия эффекта Доплера. Этот сигнал используется прежде всего в регенераторе символов (РС) демодулятора несущего сигнала (ДН) для того, чтобы правильно воспроизводить символы, чтобы правильно принимать решения по содержанию символов. Также как спектральная компонента несущей частоты сигнал символьной (тактовой) синхронизации специально не добавляется в передаваемый радиосигнал. Он генерируется в передающей части системы для того, чтобы определить границы символов формируемых в передающей части системы. Но как дополнительный сигнал синхронизации в передаваемый радиосигнал не включается. Сигнал тактовой (символьной) синхронизации селектируется (выделяется) непосредственно из спектра сигнала огибающей или из спектра сигнала преобразованного в сигнал огибающей.

Сигнал огибающей формируется в демодуляторе несущего сигнала (ДН), который состоит обычно из демодулятора огибающей (ДО) и регенератора символов (РС). На выходе ДО формируется сигнал огибающей. Из спектра сигнала огибающей может селектироваться сигнал символьной синхронизации.

S^*_{синхронизации.символов} (t)

Нередко в реальной ситуации возможно, что в спектре сигнала огибающей спектральная компонента с частотой следования символов малоинтенсивна. Поскольку сигнал огибающей это последовательность положительных и отрицательных импульсов, формы близкой к прямоугольной, то если они равновероятны, т.е. следуют примерно с одинаковой частотой, спектральная компонента с частотой следования символов будет малоинтерсивной. И поэтому приходится предварительно преобразовывать сигнал огибающей чтобы спектральная компонента с частотой следования символов была более интенсивна, а потом для селекции использовать опять же устройство ФАПЧ, но настроенное на частоту следования символов.