151
ским кодом), вводят специально паузы между символами и т.п. К сожалению, все эти меры несколько расширяют спектр передаваемого сигнала, поэтому применяются далеко не всегда.
Видимых границ между кодовыми комбинациями, принадлежащими соседним каналам, в групповом сигнале нет. Тем не менее, канальные синхросигналы, как правило, не передают. Достаточно того, что передается кадровый синхросигнал в начале каждого кадра (сигналы точного времени ведь не передают ежесекундно или ежеминутно, достаточно передавать раз в час). Для передачи кадрового синхросигнала выделяется отдельный канал, и в нем в цифровой СПИ передается специальная кодовая комбинация той же длины, что и в любом другом канале. Например, в аппаратуре ИКМ-30 в начале каждого четного цикла на 2-8 битовых позициях передается синхросигнал вида 0011011. Единственное отличие циклового синхросигнала от комбинаций в информационных каналах состоит в том, что он всегда один и тот же, а комбинации в информационных каналах изменяются.
Исходя из принципа формирования тактовых импульсов разных уровней (деление частоты тактовых импульсов первого уровня), легко догадаться,
что селектор тактовых импульсов первого уровня должен быть аналоговым, а селекторы более высоких уровней – это цифровые устройства. Правда, в
последнее время и для выделения тактовых импульсов нередко применяется цифровой селектор, но, в сущности, в нем выполняются те же операции в цифровой форме.
В качестве первичного генератора в приемнике применяется генератор тактовых импульсов, управляемый напряжением (ГУН), например генератор импульсов частоты 2048 кГц в ИКМ-30, в котором осуществляется фазовая автоподстройка частоты по схеме рис. 5.5. На вход фазового детекторадискриминатора подается принимаемый групповой сигнал после детектора (амплитудного, фазового либо частотного в зависимости от вида модуляции). Нужно отметить лишь одно обстоятельство: если символы передаются импульсами длительности τ без пауз между ними, то в спектре такого сигнала отсутствует составляющая с частотой повторения символов Fc 1/ (эта со-
ставляющая совпадает с частотой, на которой спектральная плотность равна нулю), то есть отсутствует информация для работы дискриминатора. Поэтому продетектированный сигнал, перед тем как подать его на вход дискриминатора, подвергают дополнительной обработке. Например, этот сигнал можно пропустить через дифференцирующую RC-цепь и затем инвертировать импульсы отрицательной полярности. В итоге на вход дискриминатора будут подаваться короткие импульсы в те моменты, когда символ изменяется на противоположный.
В любом аналоговом устройстве автоматического регулирования имеются погрешности трех видов: систематическая, то есть постоянное смещение временного положения тактовых импульсов, его медленные случайные
152
вариации (вандер) и быстрые случайные флуктуации их временного положения (джиттер).
Главная причина появления постоянной систематической ошибки – неточная первоначальная настройка элементов, например, отличие собственной частоты ГУН (при нулевом управляющем напряжении) от частоты первичного генератора в передатчике, либо изменение настройки в процессе старения элементов. Наличие ФАПЧ уменьшает, но не сводит эту погрешность к нулю.
Вандер обусловлен динамическими ошибками следящей системы при медленных изменениях частот генераторов либо задержки в канале передачи.
Джиттер вызывается наличием быстрых флуктуаций частот обоих генераторов, влиянием шума и замираний принимаемого сигнала.
Поскольку тактовые импульсы управляют работой демодулятора, наличие погрешностей всех видов приводит к увеличению вероятности ошибки при демодуляции. На селекторы синхросигналов верхних уровней поступает сигнал с выхода демодулятора, поэтому эти же погрешности, в конечном итоге, увеличивают и вероятность сбоя синхронизации на этих уровнях.
Любой цифровой селектор синхросигналов в конце каждого периода
(этот период равен периоду повторении синхросигнала данного уровня) выносит одно из двух решений: 1) синхронизация имеется; 2) произошел сбой синхронизации.
Чтобы вынести решение, селектор анализирует принимаемый сигнал в течение n предыдущих периодов и подсчитывает количество m случаев, когда на позиции, указанной соответствующим тактовым импульсом от местного генераторного оборудования, форма принимаемого сигнала соответствует ожидаемому синхросигналу. Эта операция называется накоплением импульсов. Если m ≥ mп, где mп – заранее установленное пороговое значение, то принимается первое из двух возможных решений, в противном случае – второе.
Например, в ИКМ-30 можно каждый раз анализировать n=5 подряд идущих четных циклов и установить mп = 4. Генератор четных цикловых импульсов в каждом из этих пяти циклов выделяет один слот из тридцати двух. Если в четырех или пяти выделенных слотах оказалась комбинация 0011011, то следует принять решение о наличии синхронизации.
В работе цифрового селектора синхросигналов возможны ошибки двух видов. Допустим, генераторное оборудование сфазировано правильно, но селектор принял решение о сбое синхронизации. Назовем эту ситуацию ошибкой первого рода. Если же при неверной фазировке генераторного оборудования селектор принял решение о наличии синхронизации, то это – ошибка второго рода.
Предположим, что в приведенном выше примере для ИКМ-30 ошибки
153
на выходе демодулятора отсутствуют. Тогда при n = 5 следует принять mп = 5, и возможно лишь возникновение ошибки второго рода в ситуации, когда во всех пяти помеченных пользовательских каналах появится комбинация 0011011. Так как в пользовательских каналах имеется последовательность практически независимых равновероятных символов, то вероятность такого события p2 0,535 2,9 10 11 довольно мала.
Вреальной ситуации ошибки на выходе демодулятора встречаются, поэтому в работе цифрового селектора синхросигналов возможны ошибки
обоих видов, и следует подобрать такое значение порога mп, при котором минимальна полная вероятность ошибки.
Если селектор принял решение о сбое синхронизации, то он переходит
врежим поиска, то есть проверяет подряд все слоты до тех пор, пока не встретится комбинация 0011011. После этого переходит в нормальный режим, то есть режим слежения, при этом не исключено, что через n периодов он снова повторит поиск.
Естественно, что требования к помехоустойчивости селектора синхросигналов существенно выше, чем требования к помехоустойчивости дру-
гих решающих устройств. Например, ошибка в одном бите на выходе демодулятора исказит лишь одну кодовую комбинацию, а сбой синхронизации на некоторое время нарушит работу всей многоканальной СПИ. Уменьшить вероятность нарушения синхронизации можно, увеличив значение параметра n, но при этом возрастает время восстановления синхронизации.
Решение проблемы синхронизации в системах радиосвязи с многостанционным доступом имеет ряд особенностей. Если в многоканальной СПИ формирование цифрового сигнала, кодирование, модуляция и уплотнение каналов осуществляются в пункте передачи под управлением общего генераторного оборудования, то в системах радиосвязи передатчик, устройство уплотнения канальных сигналов (базовая станция в системах сотовой связи, ретранслятор на ИСЗ в системах спутниковой связи и т. п.) и приемник находятся в разных пунктах. Здесь приходится налаживать совместную синхронную работу не двух, а трех объектов в условиях, когда расстояния между ними меняются во времени (следовательно, меняются и задержки сигнала).
Втаких системах, как правило, осуществляется двусторонняя передача информации, то есть на обоих участках имеются два равноценных канала: в прямом и обратном направлениях. Здесь ведущая роль принадлежит ре-
транслятору, поэтому в нем находится генераторное оборудование, задающее временной график работы всей системы, и формирователи синхросигналов. Приемники всех абонентов синхронизируют свое генераторное оборудование по сигналам, передаваемым ретранслятором, и это же оборудование управляет работой своего передатчика.
Остается лишь один вопрос: с каким опережением должен работать пе-
154
редатчик, чтобы его сигнал достиг ретранслятора к тому моменту, когда начнется нужный временной слот? Для оценки текущего времени запаздывания на пути от станции до ретранслятора каждая станция периодически принимает свой сигнал, возвратившийся от ретранслятора, и измеряет его запаздывание относительно переданного сигнала.
Работа СПИ в асинхронном режиме передачи (передача пакетов по мере возникновения требований) имеет ряд особенностей. Все современные протоколы требуют, чтобы пакет содержал целое число байтов. Поэтому на первом уровне (биты) или даже на первых двух уровнях (биты и байты) способ синхронизации не отличается от того, что характерно для СПИ в синхронном режиме передачи.
Опишем два типичных способа обеспечения синхронизации на третьем уровне, где система синхронизации должна указать приемнику байты, соответствующие началу и концу пакета.
1)В начале и в конце каждого пакета передается флаг, то есть специальная восьмибитовая комбинация, допустим, 01111110. Такая комбинация не может встретиться нигде больше внутри пакета. Естественно, что последовательность символов от источника информации может не удовлетворять этому требованию, поэтому она подвергается перекодировке: после серии из пяти единиц вставляется дополнительный нуль. Например, последователь-
ность 010111110011111110 преобразуется в 01011111000111110110. Селектор синхросигнала проверяет все восьмибитовые последовательности и первую обнаруженную комбинацию 01111110 идентифицирует как начало пакета, а вторую – как его конец.
2)Номер байта, соответствующий началу пакета, и количество байтов в пакете передаются по отдельным, служебным каналам.
Как видно на рис. 6.7, существуют свободные интервалы, не занятые для передачи пакетов. В действительности в это время передается “пустая” последовательность символов для того, чтобы обеспечить устойчивую работу селекторов синхросигналов в приемной части СПИ.
6.6 Расширение спектра сигнала
Завершая обсуждение свойств сигналов, используемых в СПИ с кодовым разделением каналов, рассмотрим основные способы расширения спектра сигнала.
Расширение спектра сигнала – это процедура, в результате которой спектр цифрового сигнала становится шире, чем это минимально необходимо для его передачи, а процесс расширения происходит при участии числовой последовательности, не зависящей от передаваемого сообщения [2]. Применение внутриимпульсной кодовой ФМ – это один из двух основных способов расширения спектра сигнала. Как мы уже увидели (разд. 6.4), здесь оба при-
155
знака присутствуют.
Другой способ расширения спектра – это скачкообразное переключение несущей частоты сигнала.
Для этого заранее устанавливают (точнее, закладывают в программу работы синтезатора несущей) ряд фиксированных частот f1, ... , fM , и пере-
ключение (выбор номера очередной частоты) производится через равные промежутки времени τ в cоответствии с очередным элементом псевдослучайной управляющей М-ичной числовой последовательности.
Возможен режим быстрого переключения ( è ), то есть несущая ча-
стота переключается В раз за время передачи одного информационного символа. Свойства таких сигналов весьма близки к свойствам сигналов с внутриимпульсной кодовой ФМ, но создание столь быстродействующего синтезатора частот – сложная задача.
В более простом режиме медленного переключения частоты ( è ) в
интервале τ передается серия информационных импульсов на неизменной несущей частоте, и в итоге в пределах этого интервала получившийся сигнал ничем не отличается от обычного узкополосного сигнала.
Каковы преимущества сигналов с расширенным спектром?
Если база сигнала велика, при передаче в радиоканале спектр сигнала распределяется по широкой полосе частот, так что на любом участке отношение средних мощностей сигнала и шума может быть даже намного меньше единицы. В таких условиях обеспечивается скрытность передачи, поскольку уверенно обнаружить сам факт наличия полезного сигнала уже не удается. Очевидно, что скрыть одновременную работу большого количества источников таким образом уже труднее. Сигнал с широкой полосой меньше подвержен воздействию узкополосной помехи, поражающей лишь часть его спектра.
Сигнал с расширенным спектром обладает и некоторой криптоустойчивостью, поскольку для его нормального приема (сжатия) недостаточно знать несущую частоту и обеспечить синхронизацию приемника, нужно еще знать числовую последовательность, управляющую процессом расширения спектра. С этим же связана и повышенная устойчивость таких сигналов к воздействию широкополосной помехи. Такая помеха хорошо воздействует на корреляционный приемник лишь в случае, когда она похожа на полезный сигнал, но для создания такой помехи также нужно знать расширяющую числовую последовательность.
Иногда можно встретить утверждение, что сигналы с расширенным спектром способны обеспечить меньшую величину вероятности ошибки при демодуляции, чем узкополосные сигналы. Это утверждение ошибочно, по крайней мере, по отношению к СПИ, использующей канал с постоянными параметрами, поскольку в нем BER зависит лишь от отношения энергии информационного импульса к спектральной плотности шума, а при расширении