Обработка линейного сигнала в дискретном канале радиосвязи

2.2.3 Стартстопная тактовая синхронизация

Разомкнутые и замкнутые устройства тактовой синхронизации, рассмотренные выше, характерны для синхронного режима работы системы связи, когда кодовые комбинации непрерывно следуют друг за другом, образуя неразрывную двоичную последовательность. При прерывистой, асинхронной работе линии передачи, когда каждая кодовая комбинация может появляться в произвольный момент времени, при строгой очередности их появления, применяют стартстопные системы тактовой синхронизации.

При стартстопной работе каждая кодовая комбинация начинается со стартового элемента, имеющего определенный, характерный признак (например длительность), за которым следуют кодовые элементы. Каждая кодовая комбинация завершается стоповым элементом, также имеющим свой характерный признак.

На приемной стороне тактовый генератор работает в ждущем режиме. При появлении стартового импульса тактовый генератор запускается, генерируя тактовую последовательность импульсов. Генерация прекращается при появлении стопового импульса.

Если длина кодовых комбинаций одинакова, то стоповый импульс может отсутствовать, а схема управления тактовым генератором содержит не только селектор стартового импульса, но и счетчик числа тактовых импульсов, заполнение которого является признаком завершения приема кодовой комбинации.

За счет остановки тактового генератора и нового его запуска в начале каждой кодовой комбинации накапливающееся расхождение по фазе между тактовой последовательностью и принимаемой кодовой комбинацией ликвидируется. Это позволяет не требовать от тактового генератора высокой стабильности частоты.

В физических линиях связи в качестве стартового импульса используется бестоковая посылка, а в качестве стопового - токовая. В паузах между передачами кодовых комбинаций линия держится под током. Причем, длительность стартового импульса совпадает с длительностью элементарных импульсов кодовых комбинаций, а длительность стопового импульса равна полутора длительностям элементарных импульсов.

Структура двоичной последовательности и формируемые серии тактовых импульсов приведены на рисунке 19.

Рисунок 19

Если длительность элементарного импульса кодовой комбинации равна , а частота тактового генератора несколько отличается от значения в принимаемой кодовой комбинации, то, пологая t, можно определить максимальное смещение тактового импульса от согласованного положения в конце кодовой комбинации

t,

где - разрядность кодовой комбинации, а .

Из этого следует, что

,

где есть относительное расхождение частот манипуляции и тактового генератора (относительная нестабильность частоты).

Теперь .

Очевидно, что обеспечивает верную регенерацию сигнала при отсутствии краевых искажений. Реально считается, что необходимо, чтобы

,

где - малая величина, равная допустимому относительному смещению тактового импульса от его согласованного положения. Тогда неравенство, характеризующее удовлетворительную работу стартстопной синхронизации, примет вид

.

Отсюда получаем требование относительной нестабильности частоты тактового генератора приемной аппаратуры

.

Причина расхождения и связана с нестабильностями тактовых генераторов, как приемной, так и передающей аппаратуры. Считая, что среднеквадратические относительные нестабильности частот этих генераторов одинаковы, получаем очевидную формулу для оценки допустимой относительной среднеквадратической нестабильности частоты тактового генератора

.

Например, при n=8 и =0,03

_.

Эта очень невысокая стабильность может быть обеспечена простым RC - генератором.

Действие помех в канале связи приводит к краевым искажениям стартового перехода. Смещение стартового перехода относительно идеального положения приводит к смещению момента запуска тактового генератора, которое на такую же величину смещает положение последнего тактового импульса в серии. Это приводит к уменьшению исправляющей способности, которое можно рассматривать как увеличение краевых искажений всех единичных элементов кодовой комбинации.

Поскольку стартовый переход подвержен действию краевых искажений в той же мере, что и значащие моменты элементарных импульсов, то в худшем случае величина стартовых краевых искажений удваивается по сравнению с искажениями в синхронных системах передачи. Это является существенным недостатком стартстопных систем. Другим недостатком метода стартстопной синхронизации является значительное сокращение пропускной способности системы за счёт частой передачи стартовых и стоповых импульсов.

Рассмотренный метод синхронизации находит применение в системах телеграфной связи и в низкоскоростных системах передачи данных с R_T Бод.

2.3 Групповая синхронизация

Групповая синхронизация в цифровых системах передачи обеспечивает правильное разделение принятой двоичной последовательности на группы двоичных символов (например, кодовые комбинации или более протяженные блоки, называемые кадрами).

В многоканальных системах связи с временным разделением каналов кодовые комбинации отсчетов первичных сигналов от многих абонентов передаются упорядоченно - циклами. В этом случае групповая синхронизация обеспечивает отделение одного цикла от другого и поэтому называется цикловой.

Устройства (подсистемы) групповой синхронизации должны удовлетворять следующим требованиям:

- высокая помехоустойчивость, исключающая возможность ложной установки фазы (синхронизации);

- автоматический контроль состояния синхронизма и вхождения в синхронизм;

- минимальное среднее время поиска синфазного состояния (вхождения в синхронизм);

- малая длина передаваемой синхронизирующей группы символов;

- минимальное среднее время опознания нарушения синхронизма (синфазного состояния).

В одноканальных системах передачи дискретных сигналов групповая синхронизация необходима для синфазной работы преобразователей форматов кодовых комбинаций (на передающей стороне - параллельного формата в последовательный, и на приемной стороне - последовательного формата в параллельной). На приемной стороне непрерывную двоичную последовательность на выходе регенератора сигнала необходимо верно разделить на отдельные кодовые комбинации для их последующего декодирования.

В многоканальных системах передачи дискретных сигналов групповая (цикловая) синхронизация обеспечивает синфазную работу распределителей (временных коммутаторов) в аппаратуре временного уплотнения и в аппаратуре разделения каналов.

Организация групповой синхронизации возможна лишь тогда, когда в передаваемое сообщение заложена избыточность. Эта избыточность может иметь форму дополнительных контрольных разрядов в кодовых комбинациях, используемых для обнаружения или исправления ошибок, либо для групповой синхронизации в двоичную последовательность вводят специальные группы двоичных элементов, опознаваемые на приемной стороне и обозначающие начало передаваемой информационной группы двоичных символов. Эти, специально вводимые, группы двоичных элементов называют фазирующими кодовыми комбинациями (ФКК) или маркерами (М) или флагами (при передаче данных)

2.3.1 Безмаркерный и маркерный способы групповой синхронизации

В случае передачи информации в течение сравнительно короткого промежутка времени и при использовании равномерного кодирования для обеспечения синхронизации достаточно определить начало сеанса связи и послать сигнал пуска (ФКК - стартовый сигнал). Такой метод одноразовой передачи синхронизирующей информации называют безмаркерным методом групповой синхронизации. Этот метод можно использовать только при синхронном способе передачи.

При безмаркерном способе групповой синхронизации контроль за состоянием синфазности распределителей в сеансе связи отсутствует. А групповой синхронизм, после того как передатчик и приемник сфазировались, поддерживается благодаря тому, что на приемной стороне известна длина принимаемых кодовых комбинаций.

Достоинство безмаркерного метода состоит в том, что передача стартовой ФКК несущественно сказывается на скорости передачи информации в канале связи. Однако отсутствие контроля синфазной работы передающей и приемной аппаратуры создает повышенную вероятность ошибочного приема части сообщений из-за возможных сбоев в работе приемного распределителя. Другими недостатками являются: необходимость прекращения передачи информации после любого нарушения синхронизации, необходимость наличия обратного канала для передачи сообщений о рассинхронизации приемника.

Маркерный метод групповой синхронизации заключается в том, что длинное сообщение разделяется на сравнительно небольшие блоки (или циклы в системах с ВРК), перед каждым из которых вставляется ФКК - маркер.

Маркерный метод можно использовать как при синхронном, так и при стартстопном методах передачи. Преимущество маркерного метода групповой синхронизации состоит в том, что при передаче информации осуществляется постоянный контроль за синхронной работой распределителей (или преобразователей форматов). Однако, это достигается ценой ощутимого снижения скорости передачи информации.

2.3.2 Групповая синхронизация с неявным маркером

Разновидностью рассмотренного маркерного метода групповой синхронизации со специально вводимой в сигнал ФКК является метод маркерной синхронизации с неявным маркером. Суть его заключается в использовании избыточности, которой обладают корректирующие коды.

Идея построения подсистемы такой групповой синхронизации заключается в том, что при отсутствии синфазной работы преобразователей форматов кодовых комбинаций на выходе декодера корректирующего кода фиксируется высокая частота обнаруживаемых ошибок, а при синфазной работе эта частота намного (иногда на один-два порядка) меньше. Этот признак используется для подстройки работы приемного преобразователя до синфазного режима. Технически такая подстройка может быть осуществлена путем исключения тактового импульса из последовательности, используемой в приемном преобразователе последовательного формата кодовых комбинаций в параллельный. Пропуск одного тактового импульса приводит к задержке преобразуемой кодовой комбинации на один разряд. Если после такой задержки частота ошибок осталась высокой, процедура задержки повторяется до достижения синфазной работы преобразователей форматов кодовых комбинаций на передающей и приемной сторонах радиолинии. Об этом свидетельствует резкое снижение частоты обнаруживаемых ошибок.

2.3.3 Стартстопная групповая синхронизация

В системах прерывистой связи (например, в цифровых системах метеорной радиосвязи) и в системах мобильной спутниковой и наземной связи с множественным доступом при временном разделении каналов (ВРК) используется также маркерная синхронизация в стартстопном режиме работы. Он обусловлен тем, что сообщения от многих абонентов объединяются при нестрогой упорядоченности их работы, а порой даже при отсутствии их скоординированного действия. Интервалы между очередными сообщениями могут быть случайными. Может быть случайной и длинна этих сообщений.

В таких случаях к моменту прихода сигнала в приемную аппаратуру оказывается, что синхронизация (с точностью до фазы) генератора опорного колебания с несущим колебанием (при ФМ) отсутствует, генератор тактовой частоты также генерирует последовательность тактовых импульсов с произвольным соотношением фаз с принимаемой двоичной последовательностью и вообще неизвестно, есть ли сигнал на входе приемника.

Действительно, при отсутствии сигнала на выходе приемника присутствует шумовое напряжение, которое, поступая на вход различителя сигналов, создает на его выходе некоторую шумовую клиппированную последовательность импульсов. Она далее стробируется и создает на выходе регенератора некоторый ложный сигнал. Этот сигнал загружает устройство групповой синхронизации поиском маркера, результатом которого могут быть решения там где сигнала нет!

Для организации верной работы приемной аппаратуры в системах связи с описанным выше характером передачи сообщений принято эти сообщения, преобразованные в последовательность кодовых комбинаций, соответствующим образом оформлять. Это оформление состоит в добавлении к информационной двоичной последовательности некоторой преамбулы, то есть отрезка двоичных символов, обеспечивающих предварительную настройку приемной аппаратуры для приема информационной последовательности. При ФМ преамбула, помещаемая непосредственно перед информационной последовательностью, состоит из трех полей. Первое поле - это длинная серия единичных элементов. В пределах этой серии в радиосигнале передается неманипулированное колебание несущей частоты. Оно используется для синхронизации и фазирования генератора опорной частоты, входящего в состав когерентного демодулятора. Такое фазирование обеспечивает прямую, полноценную работу фазового демодулятора. Второе поле, расположенное непосредственно за первым, содержит манипулированное колебание несущей частоты с частотой манипуляции, равной и чередующимися символами «0» и 1. Фактически на этом отрезке времени передается меандр тактовой частоты. Эта последовательность с регулярной структурой позволяет фазировать тактовый генератор приемной аппаратуры последовательностью двоичных символов принимаемого сигнала и далее поддерживать это состояние в течение всего сеанса связи так, как это описано в разделах тактовой синхронизации. Кроме этого регулярность следования двоичных элементов во втором поле преамбулы позволяет обнаружить сам факт начала приема сигнала. Это позволяет исключить работу подсистемы групповой синхронизации по шумовому напряжению так, как это описано выше. Подсистема групповой синхронизации включается в работу при получении сигнала обнаружения, который формируется по признаку регулярности структуры двоичных символов во втором поле преамбулы. К этому моменту времени уже состоялась синхронизация по несущему колебанию и по тактовой частоте. Регенератор выдает нормально восстановленные двоичные символы.

Третье поле преамбулы занимает маркер, поиском которого занимается подсистема групповой синхронизации (ПГС) после получения сигнала обнаружения.

При обнаружении маркера всю оставшуюся часть принимаемой последовательности легко разделить на группы (кодовые комбинации), верно их принять и обработать.

Сразу после маркера может идти информационная часть сообщения. В иных системах после маркера ставится ряд комбинаций, несущих служебную информацию, например, номер передаваемого кадра сообщения, признак категории важности, длинна информационной части, адрес абонента, которому предназначено сообщение, и тому подобное.

Если длинна кадра в служебном поле не обозначена и может быть различной, то сообщение завершается стоповым маркером, обозначающим конец сообщения, и по структуре, обычно совпадающим со стартовым маркером.

В современных системах цифровой связи - наземных, спутниковых и космических, часто используют помехоустойчивое кодирование с применением циклических кодов. В этом случае сообщение, включая служебную информацию, рассматривают как некоторый длинный блок, кодируемый циклическим кодом. Получаемую при этом контрольную группу символов располагают после информационной части, непосредственно перед стоповым маркером. Эта контрольная группа занимает, как правило, два байта и называется контрольной суммой или контрольным кодом, позволяющим на приемной стороне обнаруживать и исправлять ошибки. Структура описанного формата кадра изображена на рисунке 20.

Рисунок 20

Она соответствует структуре кадра канала сигнализации спутниковой системы ИНМАРСАТ-А. Первое поле преамбулы для синхронизации по несущему колебанию имеет протяженность в 59 двоичных элементов (59 ), второе поле для тактовой синхронизации имеет протяженность 29 , третье поле занимает маркер, называемый синхрословом. Он имеет протяженность 39 .

2.3.4 Маркер

Для успешной групповой синхронизации в цифровых системах связи маркер должен надежно выделяться в непрерывном потоке двоичных символов. Для этого он должен обладать помехоустойчивыми характерными признаками, позволяющими его обнаруживать с высокой вероятностью верного обнаружения.

В синхронных системах связи желательно, чтобы разрядность маркера равнялось одному байту и его свойства были бы уникальными.

Различают маркеры совместимые с информационной последовательностью и несовместимые.

Понятие несовместимости означает, что в информационной последовательности не должны появляться группы двоичных элементов идентичные маркеру (так называемые ложные маркеры). Если маркер есть одна из возможных двоичных кодовых комбинаций, используемых в информационной части, то его называют совместным с ней. Появление ложных маркеров может свести на нет работу всей подсистемы групповой синхронизации.

В системах передачи данных (в том числе в компьютерных сетях), где можно достичь большого отношения сигнал/шум, в качестве маркера, называемого флагом, применяют кодовую комбинацию в виде шести единиц, обрамленных слева и справа нулями 01111110. Такой маркер совместим с передаваемой информационной частью. Чтобы сделать этот маркер несовместимым, и в этом случае уникальным, информационную последовательность перед передачей модифицируют. Эта модификация заключается во вставлении в передаваемую двоичную последовательность после каждых 5 единиц дополнительного нуля. Такая операция исключает возможность появления в передаваемой последовательности групп из 6 единиц подряд. Присоединяя к модифицированной последовательности теперь уже уникальный по структуре маркер, получают кадр, в котором на приеме по уникальному структурному признаку легко опознать маркер (флаг). На приемной стороне после обнаружения маркера, дополнительные нули из принятой последовательности исключают.

При наличии помех в канале, искажающих как информационные, так и маркерные комбинации, возможно образование ложных маркеров и потеря истинных. Используемый простой структурный признак маркера оказывается ненадежным. Однако даже при столь слабом уникальном структурном признаке маркера, надежную групповую синхронизацию в синхронных системах можно обеспечить, используя другое уникальное свойство маркера при маркерной синхронизации - это его строго периодическое появление. Ложные маркеры имеют случайные моменты появления.

Включая в состав подсистемы групповой синхронизации селектор по периоду повторения маркеров, можно отсеять ложные маркеры и тем самым повысить надежность групповой синхронизации. Однако, такой селектор не избавляет от пропадания маркеров вследствие возникновения в них ошибок, приводящих к их неопознанию. Уменьшить влияние этого эффекта можно, включив в подсистему групповой синхронизации блок слежения за временным положением обнаруженных маркеров (автоматическое сопровождение по временному положению). Тогда «пропадание» отдельных маркеров будет компенсироваться памятью следящей системы, которая будет ставить на место несостоявшегося обнаружения маркера свой импульс.

Свойство периодичности, делающее маркер уникальным в синхронных системах связи, не может быть использовано при прерывистой связи, требующей применения стартстопного принципа групповой синхронизации. Здесь определяющим свойством маркера служит его автокорреляционная функция, имеющая вид типа «кнопки» и уникальное положение в кадре - сразу после тактовой последовательности в преамбуле. Вероятность образования под действием помех на регулярном меандре преамбулы структуры битов, подобной маркеру, крайне мала. Помехоустойчивость маркера обеспечивается его автокорреляционной характеристикой, имеющей малый уровень боковых лепестков и большой центральный пик. Здесь длину маркера выбирают по возможности большей (не равной байту). В структуре рассмотренного выше кадра канала сигнализации спутниковой системы связи «ИНМАРСАТ - А» маркер (синхрослово) имеет длину в 30 двоичных символов. Обычно в качестве маркерных комбинаций в системах со стартостопном принципом групповой синхронизации применяют псевдослучайные последовательности (например, m-последовательности). Искажение одного бита в таком маркере снизит значение центрального пика автокорреляционной функции (АКФ), формируемый в опознавателе маркера при приеме, на одну единицу и настолько же увеличит максимальное значение боковых лепестков. Однако, при этом разрыв между пиком и боковыми лепестками АКФ останется достаточно большим для надежного опознавания маркера. То же произойдет при возникновении большего числа ошибок. Чем больше длина маркера в виде псевдослучайной последовательности, тем выше его помехоустойчивость. Информационное поле кадра может быть защищено от помех помехоустойчивым кодированием. Маркер такой защиты не имеет. Он может быть защищен только структурно.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотренные операции преобразования первичного сигнала в линейный на примере некоторого обобщенного канала дискретной передачи аналоговых сообщений по сути решают общую задачу согласования источника первичного сигнала с линией связи. При этом в конкретных ситуациях проектирования не все операции формирования линейного сигнала обязательны. Необходимый набор преобразований диктуется конкретными требованиями технического задания на проектирование и свойствами среды передачи. Операции обработки сигнала на приемной стороне радиолинии являются обратными тем, которые использовались для формирования линейного сигнала. Кроме них обязательной операцией обработки принятого радиосигнала является его регенерация - восстановление и выделение синхроинформации из принимаемого сигнала (поэлементной и групповой), без которой невозможна успешная обработка сигнала. Вопросам синхронизации в цифровых телекоммуникационных системах следует уделить особое внимание при их проектировании.

ЛИТЕРАТУРА

1. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей: Учебник для вузов / В.В. Крухмалев, В.Н. Гордиенко, А.Д. Моченов и др.; Под ред. В.Н. Гордиенко и В.В. Крухмалева. - М.: Горячая линия, - Телеком, 2004. - 510с.

2. Передача дискретных сообщений: Учебник для вузов / В.П. Шувалов, Н.В. Захарченко, В.О. Щварцман и др.; Под ред. В.П. Шувалова. - М.: «Радио и связь», - 1990. - 464с.

3. С.М. Сухман, А.В. Бернов, Б.В. Шевкопляс, Синхронизация в телекоммуникационных системах. Анализ инженерных решений. - М.: Эко-Трендз, - 2003. - 202с.

4. Теория передачи сигналов: Учебник для вузов / А.Г. Зюко, Д.Д. Кловский, М.В. Назаров, Л.М. Финк. - 2-е изд., переработанное и дополненное. - М.: Радио и связь, - 1986. - 304с.

5. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. - 2-е изд., переработанное и дополненное. - М.: Издат-во Советское радио, - 1970. - 728с.

6. Скляр, Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Издание 2-е, исправленное: Перевод с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», - 2003. - 1104с.

7. Системы радиосвязи / Под ред. Н.И. Калашникова. - М.: «Радио и связь», - 1988. - 352с.

8. Волков Л.Н, Немировский М.С., Шинаков Ю.С., Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики: Учебное пособие. - М.: Эко-Трендз, - 2005. - 392с.

9. Цифровые и аналоговые системы передачи: Учебник для вузов / В.Н. Иванов, В.Н. Гордиенко, Г.Н. Попов и др.; Под ред. В.И. Иванова. - 2-е изд., М.: Горячая линия, - Телеком, 2003. - 232с.

Размещено на Allbest.ru