13.5. СИНХРОНИЗАЦИЯ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИСТЕМ

Временную синхронизацию на приёме относительно принимаемого широкополосного сигнала можно разделить на две фазы. Имеется начальная фаза обнаружения сигнала и фаза отслеживания после того, как сигнал начально обнаружен.

Обнаружение. В широкополосных системах с ПП ПШ код должен быть синхронизирован во времени с точностью до небольшой части интервала чипа . Проблему начальной синхронизации можно рассматривать как задачу синхронизации часов приёмника относительно часов передатчика. Обычно в широкополосных системах используются точные и стабильные во времени часы. Следовательно, точное сопряжение во времени часов сводится к снижению временной неопределённости между передатчиком и приёмником. Однако всегда имеется начальная неопределённость времени, обусловленная неопределённостью расстояния между передатчиком и приёмником. Эта проблема становится особенно острой, когда устанавливается связь между подвижными пользователями. Обычная процедура для обеспечения начальной синхронизации - это посылка передатчиком известной псевдослучайной последовательности данных к приёмнику. Приёмник непрерывно находится в режиме поиска, ожидая эту последовательность для обеспечения начальной синхронизации.

Предположим, что начальная неопределённость во времени равна, а длительность чипа . Если начальная синхронизация имеет место в присутствии аддитивного шума и другой интерференции, необходимо исследовать интервал  для того, чтобы выбрать в нём момент синхронизации. При грубом поиске с шагом  время, требуемое для достижения начальной синхронизации, равно

                  (13.5.1)

Ясно, что синхронизационная последовательность, переданная к приёмнику, должна быть по крайней мере длительностью  для того, чтобы приёмник имел достаточно времени для обеспечения необходимого поиска в последовательном режиме.

В принципе, оптимальными методами для обеспечения начальной синхронизации являются согласованная фильтрация или взаимная корреляция. Фильтр согласуется с известной последовательностью данных, генерируемой известной ПШ последовательностью, и непрерывно следит за превышением предварительно установленного порога. Когда это происходит, начальная синхронизация достигнута и демодулятор входит в режим «приёма данных».

Альтернативно, мы можем использовать коррелятор, как показано на рис. 13.5.1.

Рис. 13.5.1. Скользящий коррелятор для обнаружения ПШ

Коррелирование производится по интервалу времени  ( чипов) и выход коррелятора сравнивается с порогом, чтобы определить, присутствует ли в принимаемом сигнале известная сигнальная последовательность. Если порог не превышается, известная опорная последовательность продвигается во времени на  секунд и процесс коррелирования повторяется. Эти операции выполняются до тех пор, пока сигнал не обнаружится, или до тех пор, пока поиск не выйдет за пределы интервала неопределенности . В последнем случае процесс поиска возобновляется.

Аналогичный процесс можно также использовать для СЧ сигналов. В этом случае проблема сводится к синхронизации ПШ кода, который управляет скачками частоты. Чтобы выполнить эту начальную синхронизацию, известный сигнал СЧ передаётся приёмнику. Система начального обнаружения на приёме следит за этим известным сигналом СЧ. Для примера, можно использовать набор согласованных фильтров, настроенных на известные образцы передаваемых частот. Их выходы должны быть правильно сдвинуты, продетектированы по огибающей (или по закону квадратов), взвешены, если необходимо, и просуммированы (некогерентное интегрирование) для образования выходного сигнала, который сравнивается с порогом. Сигнал считается присутствующим, если превышается порог. Процесс поиска обычно производится непрерывно во времени, пока порог не будет превышен. Блок-схема, иллюстрирующая обнаружение сигнала, дана на рис.13.5.2.

Рис. 13.5.2. Система для обнаружения СЧ сигнала

В качестве альтернативы, можно использовать простую пару блоков согласованный фильтр-детектор огибающей. Перед ней генератор образца скачка частоты, а после неё - последовательный интегратор и пороговый детектор. Эта конфигурация, показанная на рис. 13.5.3, основана на последовательном поиске и подобна скользящему коррелятору для широкополосных ПП сигналов.

Рис. 13.5.3. Альтернативная система для обнаружения сигнала с СЧ

Скользящий коррелятор для ПП сигналов и схема по рис. 13.5.3 для СЧ сигналов осуществляют последовательный поиск, который является расточителем времени. В качестве альтернативы, можно ввести определённую степень параллелизма, имея два или больше таких корреляторов, работающих параллельно, и каждый из них ищет по неперекрывающимся участкам времени. В таком случае сокращается время поиска в обмен на большую сложность и стоимость внедрения. Рисунок 13.5.2 представляет такую параллельную реализацию для СЧ сигналов.

На протяжении поиска могут быть ложные тревоги, которые возникают с заданной вероятностью ложной тревоги, предусмотренной при проектировании. Чтобы справиться с ними, необходимо иметь дополнительный механизм, подтверждающий, что принятый сигнал на выходе коррелятора остаётся выше порога. С такой стратегией детектирования большой импульс шума, который вызовет ложную тревогу, будет вызывать только временное превышение порога. С другой стороны, если пороговое устройство сработало из-за обнаруженного сигнала, сигнал на выходе коррелятора или согласованного фильтра будет оставаться выше порога на протяжении всего принятого сигнала. Таким образом, если подтверждение отсутствует, поиск возобновляется.

Другая стратегия начального поиска, названная последовательным поиском, была разработана Вардом (1965-1977). В этом методе время пребывания по каждой задержке в процессе поиска делается переменным путем использования коррелятора с переменным временем интегрирования, выход которого сравнивается с двумя порогами. Таким образом, здесь имеются три возможных решения:

1. Если верхний уровень превышается выходом коррелятора, начальная синхронизация объявляется установленной;

2. Если выход коррелятора находится ниже нижнего порога, сигнал объявляется отсутствующим при этой задержке и процесс поиска продолжается при другой задержке;

3. Если выход коррелятора находится между двумя порогами, время интегрирования увеличивается на один чип и результирующий выход снова сравнивается с двумя порогами.

Далее, шаги 1, 2 и 3 повторяются на каждом чиповом интервале до тех пор, пока выход коррелятора или превысит верхний порог или окажется ниже нижнего порога.

Метод последовательного поиска относится к классу методов последовательного оценивания, предложенного Вальдом (1947), который, как известно, даёт более эффективный поиск в том смысле, что среднее время поиска минимизируется. Таким образом, время поиска при последовательном поиске меньше, чем при фиксированном времени пребывания интегратора на каждом чипе.

В приведённом выше обсуждении мы предполагали только неопределённость во времени при осуществлении начальной синхронизации. Однако другой аспект начальной синхронизации - это неопределённость по частоте. Если передатчик или приёмник подвижны, относительная скорость между ними порождает доплеровский сдвиг частоты в принимаемом сигнале относительно переданного сигнала. Поскольку приёмник обычно не знает относительную скорость априори, доплеровский сдвиг частоты неизвестен и должен быть определен посредством метода поиска частоты. Такой поиск обычно выполняется параллельно по подходящим квантованным частотам на интервале неопределённости и последовательно по интервалу временной неопределённости. Блок-схема соответствующего устройства показана на рис. 13.5.4. Подходящие методы поиска доплеровский сдвигов частоты можно также разработать для СЧ сигналов.

Рис. 13.5.4. Начальный поиск сигнала в широкополосных системах с доплеровским сдвигом частоты

Отслеживание. Когда сигнал обнаружен, первоначальный процесс поиска останавливается и начинается процесс точной синхронизации и отслеживания. Отслеживание поддерживает ПШ кодовый генератор приёмника в синхронизме с приходящим сигналом. Отслеживание включает точную синхронизацию чипа и, при когерентной демодуляции, отслеживание фазы несущей.

Обычно используемая схема отслеживания для широкополосных ПП сигналов - петля с задержкой (ПЗ, DLL), показанная на рис. 13.5.5.

Рис. 13.5.5. Петля с задержкой для слежения за ПШ кодом

В этой петле отслеживания принимаемый сигнал подаётся на два умножителя, где он умножается на два выхода местного ПШ кодового генератора, которые сдвинуты во времени друг относительно друга на величину. Сигналы произведения определяют взаимную корреляцию между принимаемым сигналом и ПШ последовательностью при двух значениях задержки. Эти произведения проходят полосовой фильтр и затем детектируются по огибающей и затем вычитаются.

Разностный сигнал подается к петлевому фильтру, который управляет ГУН (генератором, управляемым напряжением). ГУН служит в качестве часов для ПШ кодового генератора сигнала.

Если синхронизация неточная, отфильтрованный выход одного коррелятора будет больше другого, и ГУН будет соответственно ускорен или приторможен.

Рис. 13.5.6. Петля с временной "вилкой" для слежения за ПШ кодом

В точке равновесия выходы двух фильтрующих корреляторов будут одинаково смещены относительно пикового значения, и выход ПШ кодового генератора будет точно засинхронизирован с принимаемым сигналом, который поступает на демодулятор. Мы видим, что такая реализация ПЗ для отслеживания ПП сигнала эквивалентна синхронизатору с окнами на задержку-опережение, ранее обсуждавшемуся в разделе 6.3.2 и показанному на рис. 6.3.5.

Альтернативный метод для отслеживания во времени ПП сигнала сводится к использованию петли с временной вилкой (ПВВ), показанной на рис. 13.5.6. ПВВ использует одно «плечо» вместо двух «плеч», показанных на рис.13.5.5.

Рис. 13.5.7. Функция автокорреляции и сигнал ошибки слежения для петли с задержкой

Обеспечивая подходящий сигнал «вилки», возможно сделать эту «одноплечевую» реализацию эквивалентной «двухплечевой». В этом случае берутся два отсчёта взаимной корреляции: один с опережением, другой с отставанием - и вычитаются один из другого. В результате вырабатывается сигнал ошибки отслеживания. Важное достоинство ПВВ - простота реализации, обусловленная использованием одного «плеча» вместо двух, как в обычной ПЗ. Второе достоинство — это то, что оба вычитаемых отсчёта одинаково масштабированы и схема ПВВ точно сбалансирована. ПЗ (и её эквивалент ПВВ) выдают сигнал ошибки при стробировании функции корреляции сигналов с отклонением  от пика, как показано на рис. 13.5.7(а). Сигнал ошибки показан на рис. 13.5.7(b). Анализ качества ПЗ выполняется аналогично тому, как это было сделано в разд. 6.3 для ФАП. Если исключить вопрос о детектировании огибающих в двух плечах ПЗ, она похожа на петлю Костаса. Дисперсия ошибки оценки времени в ПЗ обратно пропорциональна ОСШ на выходе петли, которое, в свою очередь, зависит от ОСШ на входе петли и её полосы пропускания. Её качество несколько снижается при квадратичном детектировании.

Типичная техника отслеживания иллюстрируется на рис.13.5.8(а).

Этот метод основан на предположении, что достигнуто начальное обнаружение, но имеется небольшая ошибка синхронизации. Полосовой фильтр настроен на единственную промежуточную частоту, и его полоса пропускания имеет порядок , где  — длительность чипа. Сигнал с выхода фильтра детектируется по огибающей и умножается на сигнал задающего генератора (ГУН) для получения трёхуровневого сигнала, который поступает на вход петлевого фильтра и далее на управляющий вход ГУН, как показано на рис.13.5.8(b). Заметим, что если переходы чипов от местного генератора не совпадают во времени с аналогичными переходами во входном сигнале, то на выходе петлевого фильтра будет либо положительный, либо отрицательный сигнал, в соответствии со знаком временного сдвига. Этот сигнал ошибки с выхода петлевого фильтра будет изменять частоту и фазу ГУН в направлении, обратном имеющейся ошибке синхронизма.

Рис. 13.5.8. Метод отслеживания для СЧ сигнала [Pickholtz и др. (1982), © 1982 IEEE]