Лекция 10. Синхронизация в цифровых системах

частоты (фазирование).
3. Тактовая синхронизация.
4. Цикловая (кадровая) синхронизация.

прямоугольные импульсы, формируемые в передатчике в соответствии с информационными битами.

При этом длительность импульсов, определяющая физическую скорость передачи, задаётся с помощью тактового генератора, формирующего последовательность коротких импульсов, расстояние между которыми равно длительности канального импульса (рис. b).

Посредством этих тактовых импульсов формируется последовательность прямоугольных импульсов, соответствующая битовой последовательности

колебание, сформированное в передатчике, передаётся в линию связи.
В линии

связи, особенно в радиоканале, на сигнал воздействуют различные помехи, искажая его и приводя к потере информации.

и смесь сигнала и помехи на выходе линии связи (на

входе приёмника) может быть представлена в виде
Z(t) = sпер(t) + n(t).
Помеха n(t) может быть любой, но чаще всего используют модель в виде «белого» гауссового шума, который вносит наибольшие искажения

Шум называется белым потому, что частоты составляющих его колебаний равномерно распределены на оси от 0 до бесконечности.

и помехи Z(t) на входе приёмника имеет вид
Из рисунка

видно, что помехи в линии искажают, прежде всего, амплитуду сигнала, а затем частоту и фазу.

закону, график плотности вероятности которого имеет вид
Здесь a и

b – границы случайной величины. Для фазы они равны –π и π соответственно:
Плотность вероятности случайной величины рассчитывается по формуле f(x) = 1/(b - a).
Среднее значение равно μ = (a + b)/2.
Дисперсия D = (b - a)2/2, а вероятность попадания случайной величины x в интервал [a … b] P(x) = (x - a)/(b - a).
Для фазы сигнала μ = 0; D = 2 π2; среднеквадратическое отклонение σ = √D = π√2. Вероятность попадания фазы в интервал – π… π P(x) = (x + π)/2 π.

помехоустойчивость при заданной скорости передачи информации, необходимо обеспечить синхронную и

синфазную работу передатчика и приёмника. Иными словами для достижения максимальной помехоустойчивости должна быть обеспечена синхронизация передачи данных.
Синхронный способ передачи данных - способ передачи цифровых данных по последовательному интерфейсу, при котором приемнику и передатчику известно время передачи данных, то есть, передатчик и приемник работают синхронно, в такт. 
Синхронизация приемника и передатчика достигается либо путем ввода синхронизирующей последовательности (например, в начале передачи данных передается детерминированный сигнал с известным переключением состояний из «нуля» в «единицу», по времени прихода осуществляется каким-либо образом синхронизация приемника и передатчика.
При этом должна быть обеспечена синфазность работы опорных генераторов передатчика и приёмника.

более общее понятие когерентности, синфазность можно определить как частный случай

когерентности, при которой разность фаз колебаний постоянна и равна нулю

во времени нескольких колебательных или волновых процессов. Если разность фаз

двух колебаний остается постоянной во времени или меняется по строго определенному закону, то колебания называются когерентными. Например, два колебания x1(t) = A1sin(ω1t) и x2(t) = A2sin(ω1t), формируемые разными источниками, являются когерентными, поскольку у них одинаковые частоты и фазы. Колебания x1(t) = A1sin(ω1t ) и x2(t) = A2cos(ω1t ) тоже когерентны, так как у них одинаковы частоты, а разность фаз, равная π/2, постоянна во времени.
Колебания, у которых разность фаз изменяется беспорядочно и быстро по сравнению с их периодом, называются некогерентными.

и фазе колебаний опорных генераторов передатчика и приёмника.
При несоблюдении требований

по синхронизации в приёмнике сигнал после детектирования может быть , например, таким, как показано на рисунке

Восстановленная (регенерированная) последовательность прямоугольных импульсов будет иметь вид, изображённый на рис. a. Сравнивая её с передаваемой последовательностью (рис. b), можно увидеть, что она отличается от передаваемой как длительностью импульсов, так и их полярностью. Возникшие искажения привели к потере информации

в приёмнике несущее колебание, совпадающее по частоте и фазе с

передаваемой несущей. Это осуществляется генерированием синусоидального колебания в опорном генераторе приёмника, причём частота этого колебания известна заранее и проблем здесь нет. Другое дело фаза. Под действием помех фаза сигнала может принимать любое значение в интервале –π … π;
- определить положение на временной оси начало и конец интервала принятия решения о полярности восстанавливаемого импульса;
- определить положение на временной оси начало и конец интервала кадра (пакета) передаваемой информации.

быть обеспечена:
- синхронизация генераторов несущего колебания передатчика и приёмника. Это

особенно важно при использовании фазовой манипуляции (BPSK, QPSK) или минимальной частотной манипуляции (GMSK);
- синхронизация временных границ принимаемых и передаваемых импульсов (тактовая синхронизация);
- синхронизация передатчика и приёмника по началу кодовых слов (в простейших системах передачи) или по началу и концу групповых сигналов (кадров, пакетов, дейтаграмм) в сложных системах – цикловая или кадровая синхронизация;
- суперкадровая синхронизация, при которой синхронизируемый блок данных состоит из большого числа кадров.

частоты передатчика и генераторов приемника, также изменением времени распространения сигнала

между абонентами τ(t). Основным звеном ряда устройств синхронизации цифровых систем связи является система фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ).
Фазовая автоподстройка частоты – система автоматического регулирования, подстраивающая фазу управляемого генератора так, чтобы она была равна фазе опорного сигнала, либо отличалась на известную функцию от времени. Регулировка осуществляется благодаря наличию отрицательной обратной связи.

являются колебания подстраиваемого генератора, то по своим свойствам она подобна

следящему полосовому фильтру с частотной характеристикой K(jω).
Работа такого следящего фильтра характеризуется следующими параметрами:
1. Полосой удержания Fу, характеризующей максимально допустимое отклонение частоты входного сигнала от собственной частоты ГУН при условии обеспечения состояния синхронизма. Под собственной частотой ГУН понимается частота системы ФАПЧ в установившемся режиме в отсутствие управляющего напряжения.
2. Полосой захвата Fз - максимальной расстройкой между частотой входного колебания и частотой подстраиваемого генератора, при которой после включения ФАПЧ начинает следить за фазой входного колебания (входит в синхронизм). При этом предполагается, что в начальный момент времени отсутствует режим синхронизации, а собственная частота ГУН и частота входного сигнала различны.
3. Временем вхождения в синхронизм Тсх, которое характеризует продолжительность переходного процесса от момента появления сигнала на входе до момента установления равенства частот входного сигнала и сигнала ГУН.
Для ФАПЧ желательно увеличивать полосу захвата, но это приводит к увеличению уровня шумов в системе. Уменьшение полосы захвата приводит к усложнению работы системы и увеличению времени ввода в синхронизм Tсх.

- область начальных расстроек ГУН, внутри которой система ФАПЧ эффективно

работает в режиме удержания;
- полоса захвата ΔfЗ - область начальных расстроек ГУН, внутри которой система ФАПЧ эффективно работает в режиме захвата;
- время захвата tЗ, представляющее собой время втягивания системы ФАПЧ в режим синхронизации. Время захвата существенно зависит от значения начальной расстройки между частотой входного колебания и частотой колебания ГУН.

генераторов приемной и передающей частей ЦСП. Только в этом случае

генератор приемной части будет вырабатывать управляющие сигналы, совпадающие по частоте и времени с импульсными последовательностями, поступающими в приемное оборудование ЦСП из линейного тракта, обеспечивая тем самым правильную цифровую обработку сигналов

приема или, в крайнем случае, обеспечить небольшую величину этого расхождения.

Как известно, в аналоговых системах передачи для этих целей применяют, в основном, технические решения, обеспечивающие стабилизацию частоты задающих генераторов приемного и передающего оборудования (например, кварцевую стабилизацию).
Такое фазирование возможно реализовать различными способами

процесс тактовой синхронизации и приводит, в конце концов, к её

срыву.
В настоящее время широко используется метод синхронизации, основанный на выравнивании вероятности появления «1» и «0» в информационной последовательности, что даёт особенно хорошие результаты при наличии длинных серий однополярных импульсов.
К таким методам относится либо скремблирование либо применение специальных самосинронизирующихся кодов.

данных. Практически единственной операцией, используемой в скремблерах является XOR –

«побитное исключающее ИЛИ» (сложение по модулю 2). Правило сложения, например, такое

bn=an + (bn-2 + bn-5).

Здесь ai – информационные, а bi - канальные символы.
Параллельно прохождению информационного потока в скремблере по определенному правилу генерируется поток бит – кодирующий поток. Как прямое, так и обратное шифрование осуществляется наложением по XOR кодирующей последовательности на исходную.

работы и случайный характер последовательности, чтобы его нельзя было восстановить

в случае перехвата противником. Процесс скремблирования может включать в себя добавление определённых компонент к исходному сигналу либо изменение важных частей сигнала для того, чтобы усложнить восстановление вида исходного сигнала либо для придания сигналу определённых статистических свойств.
Недостатком скремблирования является то, что длинные серии одноимённых импульсов разбиваются на более короткие, но всё же серии и надёжность тактовой синхронизации возрастает, но не много (примерно 25% - 30%).

применение самосинхронизирующихся кодов, таких как, например, манчестерское кодирование.
При манчестерском кодировании

каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала в середине каждого такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль — обратным перепадом (по стандарту IEEE 802.3

обеспечивает правильное декодирование кодовых групп и распределение группового сигнала по

соответствующим приемникам каналов. Для обеспечения этой синхронизации в начале каждого цикла в состав группового цифрового сигнала вводится специальный синхросигнал, который представляет собой отдельный импульс или группу импульсов определенной комбинации

цикловой синхронизации предъявляются следующие основные требования:
- время вхождения в синхронизм

при первоначальном включении аппаратуры в работу и время восстановления синхронизма при его нарушении должно быть минимально возможным;
- число разрядов синхросигнала в цикле передачи при заданном времени восстановления синхронизма должно быть минимальным;
- приемник синхросигнала должен быть помехоустойчивым, что обеспечивает большее среднее время между сбоями синхронизма.
При реализации этих требований приходится решать противоречивые задачи. Ввод синхросигнала в групповой сигнал дополнительно к кодовым группам информации требует увеличения скорости передачи группового сигнала, а это увеличивает полосу частот, передаваемых по линии. Если скорость передачи оставить прежней, то синхросигнал надо вводить взамен части информационных символов, а это уменьшает пропускную способность системы передачи.

опознаватель, анализатор, решающее устройство.
Алгоритм поиска синхросигнала при нарушении синхронизма