книги из ГПНТБ / Гинзбург, В. В. Теория синхронизации демодуляторов

6Ф2

Г 49

УДК 621.39.672.9:621.327.8

Гинзбург В. В., Каяцкас А. А.

Г49 Теория 1сиех'рани'заци'и демодуляторов. М., «Связь»,

1974.

216 с. с ил.

Рассматриваются назначение и классификация устройств синхрони­ зации. Приводится общая методика анализа разомкнутых и замкнутых устройств синхронизации. Излагаются вопросы синхронизации однока­ нальных и многоканальных систем связи. Рассматриваются вопросы син­

ников, занимающихся проблемами синхронизации систем передачи дан­ ных, а также может быть полезна студентам соответствующих вузов.

П Р Е Д И С Л О В И Е

Термин «синхронизация» используется во многих областях тех­ ники, и даже в технике связи его понимают по-разному. Из наз­ вания книги следует, что в ней речь идет об устройствах тактовой синхронизации (синхронизации границ посылок), являющихся не­ отъемлемой' составной частью демодуляторов сигналов в систе­ мах передачи дискретной информации. Слово «теория» в назва­ нии книги означает, что объектом рассмотрения являются, преж­ де всего, алгоритмы и функциональные схемы, вне зависимости от того, как эти алгоритмы реализованы в аппаратуре.

Теория синхронизации систем связи, как ветвь теории опти­ мального приема, возникла сравнительно недавно. По теории так­ товой синхронизации предлагаемая книга является первой. Эта теория излагается в книге в основном применительно к устрой­ ствам синхронизации (УС) со стационарными алгоритмами, рабо­ тающим при постоянных параметрах канала связи.

Книга адресована специалистам в области техники передачи дискретной информации. Некоторые главы могут быть использо­ ваны как учебное пособие по курсам «Теория передачи сигналов» и «Передача дискретной информации», читаемым студентам элек­ тротехнических институтов связи.

Главы 1 (кроме §§ 1.5, 1.7), 2, 3, 4 (кроме § 4.2), 5 и прило­ жения 1, 2, 4 написаны В. В. Гинз'бургом, гл. 6, 7 и (приложение 3— А. А. Каяцкасом, §§ 1.5, 1.7, 4.2, написаны совместно.

Мы искренне признательны (коллективу и руководству кафедры ТПС и ТНЭЦ Ленинпрадского электротехнического института свя­ зи им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, чьи благожелательность и вни­ мание сделали .возможным написание этой .книги. Ее основные ори­ гинальные результаты связаны с (работами возглавляемой канд. теки, наук Ю. Б. Окуневым лаборатории передачи дискретной информации при этой кафедре. Мы благодарны Ю. Б. Окуневу и своим коллегам за всестороннюю дружескую помощь. Нам прият­ но поблагодарить также канд. техн. наук В. И. Шляпоберского, высказавшего много полеедьих замечаний по (рукописи, учтенных

нами при ее доработке.

Отзывы и замечания просим направлять в издательство «Связь»: 101000, Мосюва-цантр, Чистопрудный бульвар, 2.

Авторы

С П И С О К О Б О З Н А Ч Е Н И Й

заданном х

X

е~*г/2сИ — функция Лапласа

— 00

4

1

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ СИНХРОНИЗАЦИИ

1.1. Структура приемника системы передачи дискретной информации

Для передачи дискретной информации (ПДИ) используются, как правило, синхронные системы связи, т. е. системы с сигнала­ ми в виде последовательностей посылок одинаковой длительности. Задачей приемника системы ПДИ является преобразование каж­ дой посылки сигнала (или группы посылок при использовании блочных корректирующих кодов) в символы, направляемые полу­ чателю информации. Следуя [132], назовем часть приемника, пре­ образующую посылку сигнала в информационный символ, решаю­ щим устройством (РУ).‘

Вероятность ошибки при вынесении решения зависит, в част­ ности, от объема сведений о сигнале, используемых при вынесении решения. Чем больше таких сведений в виде, например, значений параметров вариантов сигнала, тем меньше вероятность ошибки.

В теории оптимального приема различают сигналы с детерми­ нированными параметрами (сигналы известной формы) и сигна­ лы со случайными параметрами [79, 95, 132]. Такое деление поз­ воляет корректно ставить и решать задачу синтеза решающего устройства. Однако при проектировании приемника удобнее клас­ сификация параметров сигнала рис. 1.1, в соответствии с которой различают известные априорно (до начала сеанса связи) и неиз­ вестные априорно параметры.сигнала. В свою очередь, априорно неизвестные параметры можно разделить по скорости изменения на быстро и медленно изменяющиеся.

можность предсказания (прогнозирования) их текущих значений по результатам измерения предшествующих значений. Использо­ вание прогнозирования для улучшения характеристик приемника называется адаптацией [140].

Приемники современных систем связи строятся как адаптив­ ные и состоят из решающего устройства и устройства управления (УУ) (рис. 1.2). Последнее обычно является автоматическим и содержит элементы адаптации приемника. К устройствам авто­ матического управления решающим устройством, осуществляю-

5

щим адаптацию приемника, относятся устройства автоподстройки частоты, формирования когерентного с сигналом колебания, из­ мерения порога, измерения весовых коэффициентов при сложении разнесенных сигналов и др. Наконец, к таким устройствам отно­ сятся устройства синхронизации синхронных приемников, кото­ рые рассматриваются в данной книге.

Адаптация, как указывалось, предполагает, во-первых, изме­ рение параметра сигнала и накопление результатов измерения и, В'О-'втсфых, использование полученной -информации для улучше­ ния характеристик приемника, например, его помехоустойчивости. В соответствии с этим устройство автоматического управления решающим устройством состоит из измерительного и накопитель­ ного устройств (ИУ и НУ) (рис. 1.3), а также преобразователя

Рис. 1.3. Структурная схема устройстна управления:

/ —принятый сигнал; 2 — сигнал управ­ ления РУ

(П), формирующего сигнал управления решающим устройством из выходного сигнала накопительного устройства.

В силу случайного характера искажений сигнала и конечной памяти НУ точное измерение параметров невозможно. Сигнал на выходе НУ представляет собой лишь оценку истинного значения параметра. Однако чем медленнее изменяются характеристики канала связи и чем больше память накопительного устройства, тем меньше флуктуации оценки и тем точнее она совпадает с ис­ тинным значением параметра. Поэтому медленно изменяющиеся параметры сигнала при наличии соответствующих устройств адап­ тации часто считают известными при решении задачи синтеза оп­ тимального решающего устройства 4).)*

*) Разумеется, речь здесь идет о синтезе решающего устройства, оптимально обрабатывающего один элемент сигнала. Теоретически возможно рассмотрение решающего устройства, оптимально обрабатывающего весь сигнал (на протя­ жении всего сеанса связи) как единое целое. Такое решающее устройство обес­ печит наивысшую помехоустойчивость, причем устройства адаптации будут

6

1.2.Определение устройства синхронизации (УС)

Всинхронных системах связи широко применяется решающее устройство (РУ) приемника, схема которого может быть приве­ дена к виду рис. 1.4. В таком РУ входной сигнал с помощью филь­ тра (Ф) отделяется от помех, спектр которых лежит вне спектра сигнала, в том числе от сигналов других систем связи. Получен­

нал сравнивается с порогом, т. е. определяется знак разности ме-

жду видеосигналом и порогом. Порог, в частности, может быть равным нулю. С помощью ключа, замыкаемого на короткое вре­ мя импульсом опроса (стробирующим импульсом), знак выход­ ного напряжения устройства сравнения с порогом «записывается» в триггер (Тг).

Диаграммы рис. 1.56—д иллюстрируют работу РУ при переда­ че с помощью AM двоичной комбинации рис. 1.5а. Точки РУ и ди-

но влияет на помехоустойчивость приемника, т. е. на вероятность ошибки при определении информационного символа. Наибольшая

«поглощены» решающим устройством. Следует, однако, учесть, что указанное «наиоптимальнейшее» решающее устройство не может быть практически реали­ зовано (за исключением вырожденных случаев) из-за колоссальной сложности. При использовании критериев, более близких к требованиям практики, чем кри­ терий средней вероятности ошибки, например, различных критериев эффектив­ ности, позволяющих учитывать сложность аппаратуры (102], адаптивные прием­

ники должны оказаться близкими к оптимальным.

7

помехоустойчивость достигается при опросе в моменты времени, когда переходные процессы на выходе детектора практически за­ кончились и отношение мощности сигнала к мощности помех на выходе детектора максимально.

Таким образом, задача устройства синхронизации в данном случае заключается в формировании импульсов опроса, временное положение которых наиболее выгодно с точки зрения помехоустой­ чивости.

В настоящее время все чаще применяются приемники, реали­ зующие оптимальные алгоритмы приема. Как правило, в состав решающего устройства оптимального приемника входит корреля­ тор, играющий роль, близкую к роли детектора и частично филь­ тра рис. 1.4. В корреляторе на интервале, равном (или несколько меньшем) длительности посылки, вычисляется интеграл произ­ ведения сигнала и опорного колебания. Отсчет выходного напря­ жения коррелятора, соответствующий концу интегрирования, ис­ пользуется для определения информационного символа. Положе­ ние интервала интегрирования и момент отсчета задаются устрой­ ством синхронизации.

Для повышения помехоустойчивости часто применяются сиг­

когда «автономным» элементом сигнала является кодовая комби­ нация (блок) из определенного числа посылок. В приемнике ко­ довая комбинация обрабатывается либо «в целом» как единый сложный сигнал, либо «поэлементно» (132], когда сначала прини­ мается решение о каждом символе блока, а затем символы блока преобразуются в информационные. При приеме «в целом» необ­ ходимо знать границы каждой кодовой комбинации. Эти границы измеряются устройством синхронизации. Часто при приеме «в це­ лом» положение границ кодовой комбинации определяет форму вариантов сигналов. При этом устройство синхронизации, поми­ мо задания времени обработки кодовой комбинации, может ге­ нерировать варианты сигнала.

При «поэлементном» приеме устройство синхронизации обыч­ но разбивается на два устройства: тактовой и блочной синхрони­ зации. В первом измеряется положение границ посылок и задает­ ся интервал обработки каждой посылки сигнала в так называемом первом решающем устройстве (первой решающей схеме [132]). Полученные в результате такой обработки символы декодируют­ ся в информационные символы с помощью второго решающего устройства (второй решающей схемы). Для нормальной работы второго решающего устройства необходимо «разбить» последова­ тельность символов на блоки. Эта задача решается устройством блочной синхронизации.

Заметим, что часть приемника (или отдельный приемник), со­ стоящую из первого решающего устройства и необходимых уст­ ройств управления, часто называют демодулятором,, в отличие от другой части, называемой декодером.

8

Во всех рассмотренных примерах, несмотря на их различия, можно указать некоторые общие черты, которые позволяют дать следующее определение устройства синхронизации.

Устройством синхронизации (УС) будем называть входящее в состав приемника системы передачи дискретной информации уст­ ройство автоматического управления, измеряющее временное по­ ложение границ между элементами сигнала и задающее на осно­ вании этого измерения интервал времени, на котором в решаю­ щем устройстве приемника анализируется каждый элемент сиг­ нала и выносится решение об отождествлении этого элемента с одним из информационных символов.

Как указывалось в предыдущем параграфе, измерения границ между посылками сигнала сопровождается обычно накоплением результатов измерений, что позволяет повысить надежность изме­ рений. Возможность накопления основана на том, что при опре­ деленных условиях сигнал синхронной системы связи обладает свойством периодической стационарности (§ 1.7), из чего, ,в частно­ сти, следует, что математическое ожидание процесса, полученного в результате преобразования сигнала синхронной системы связи устройством с постоянными параметрами, является периодической функцией времени. Таким образом, сигнал на выходе этого устрой­ ства можно представить в виде суммы периодического процесса и процесса, обусловленного флуктуациями сигнала на выходе пре­ образующего устройства. Фаза периодического процесса связана с положением границ посылок. Выделив периодический процесс из его смеси с флуктуационным и измерив его фазу, можно устано­ вить положение границ посылок.

Выделить периодический или, что то же самое, подавить флуктуационный процесс можно фильтром. Простейшим является уз­ кополосный фильтр, использующий только одну гармонику перио­ дического inipouecca. Соответствующие устройства синхронизации называются резонансными. Другие типы накопителей рассмотре­ ны ниже.

1.3. Классификация устройств синхронизации

Применительно к устройству синхронизации схема рис. 1.3 при­ нимает вид рис. 1.6. В соответствии с этой схемой входной сигнал подается на входной преобразователь (ВП), который в случаях, представляющих практический интерес, является нелинейным (инерционным или безынерционным) устройством. Результат пре­ образования, называемый далее преобразованным сигналом, несет в виде, «удобном» для накопительного устройства (НУ), инфор­ мацию о положении границ посылок. Накопительное устройство представляет собой инерционную линейную или нелинейную цепь. Усредненный в НУ сигнал преобразуется в синхросигнал устрой­ ством формирования синхросигнала (УФС).

Подобно другим системам управления по наличию или отсут­ ствию обратной связи УС можно делить на замкнутые и разом­ кнутые [139, 131, 32]. Будем называть УС заткнутыми, если ВП и

9