РАЗДЕЛ III. ПОИСК И СИНХРОНИЗАЦИЯ ШПС

15. ОСОБЕННОСТИ ПОИСКА И СИНХРОНИЗАЦИИ ШПС

15.1. Прием информации и неопределенность по времени и по частоте в широкополосных системах связи

Назначение любой системы связи, в том числе и широкополосной, заключается в приеме (выделении) передаваемой информации. Прием ШПС, несущих информацию, в ШСС осуществляется и на фоне помех, т. е. для приема информации необходимо выделять ШПС из помех. Прием ШПС, как, впрочем, и любых других сигналов, осуществляется с помощью оптимальных приемников, минимизирующих вероятность ошибки. Структура оптимального приемника зависит от вида передаваемой информации (фазовая или частотная манипуляция и т. п.) и от степени «известности» сигнала в точке приема (когерентный или некогерентный прием и т. п.). Но в любом случае в состав оптимального приемника входит согласованный фильтр или коррелятор и решающее устройство. Согласованный фильтр или коррелятор служат для оптимального приема ШПС, а решающее устройство определяет символ передаваемой информации.

Рассмотрим для примера случай передачи и приема двоичной информации с помощью противоположных сигналов (фазовая манипуляция — ФМ). Оптимальный приемник (рис. 15.1) состоит из соласованного фильтра (СФ), решающего устройства а также синхронизатора назначение которого будет объяснено в дальнейшем.

Рис. 15.1. Схема оптимального приемника при неизвестной задержке сигнала

Согласованный фильтр согласован с ШПС, который переносит информацию. Если используется то импульсная характеристика согласованного фильтра

где а — некоторая постоянная, Т — длительность ШПС. Для передачи «1» информации используется сигнал для передачи информации используется обратный (противоположный) сигнал — Напряжение на выходе согласованного фильтра представляет

собой автокорреляционную функцию (АКФ) ШПС, с которым фильтр согласован. Максимум АКФ на выходе согласованного фильтра

где Е — энергия ШПС, а максимум имеет место в момент окончания ШПС. Решающее устройство должно в момент окончания сигнала принять решение: какой сигнал был передан или т. е. выдать решение, какой информационный символ (1 или 0), был передан. Но для того, чтобы принять решение в момент окончания сигнала, надо знать (или предварительно измерить) момент прихода сигнала и момент его окончания. В теории оптимального приема при определении структурных схем оптимальных приемников сначала полагают, что все параметры принимаемого сигнала, в том числе и его запаздывание по времени, в точке приема известны. В этом случае оптимальный приемник для приема ФМ действительно содержит только согласованный фильтр и решающее устройство. Но в реальных условиях в начале сеанса связи время запаздывания сигнала неизвестно. Его надо измерить и ввести в том или ином виде в решающее устройство.

На рис. 15.2 приведены временные диаграммы, поясняющие процесс принятия решения при приеме ФМ сигналов. На рис. 15.2, а представлено напряжение на выходе согласованного фильтра

Рис. 15.2. Диаграммы, поясняющие процесс принятия решения (выделения информации)

Оно представляет последовательность АКФ сигнала Для простоты изображены идеальные АКФ в виде треугольных импульсов с длительностью основания Поскольку длительность ШПС равна Т, то АКФ следуют с интервалом, равным Т. Таким образом, база ШПС равна . На рис. 15.2, а изображена передаваемая информационная последовательность в соответствии с которой АКФ принимают либо положительное, либо отрицательное значение. Первая АКФ запаздывает относительно

начала координат на время Поэтому решающее устройство должно принимать решение в моменты времени Если момент времени неизвестен в месте приема, а именно так и обстоит дело в реальных системах связи, то оптимальный приемник должен помимо согласованного фильтра и коррелятора содержать также синхронизатор (С на рис. 15.1), который измеряет время задержки и определяет моменты времени в которые и принимаются решения. На рис. изображена последовательность синхроимпульсов которые с выхода синхронизатора подаются на решающее устройство. Длительность импульсов должна быть много меньше длительности пика АКФ, а середина этих импульсов должна приходиться на максимум АКФ, что и позволяет принять решение о переданном информационном символе в момент окончания ШПС.

Таким образом, оптимальный приемник при неизвестной задержке ШПС в точке приема должен выполнять две функции:

1) измерение времени задержки в начале приема информации (этот процесс называется также поиском ШПС по времени);

2) создание меток времени, соответствующих окончанию ШПС, и обеспечение совпадения (синхронности) меток с центром АКФ на выходе согласованного фильтра (этот процесс называется синхронизацией ШПС).

Согласованный фильтр, как и все пассивные фильтры, является устройством, инвариантным к задержке ШПС: задержка АКФ равна задержке ШПС и при любой задержке ШПС на выходе согласованного фильтра всегда будет АКФ от ШПС на входе. Тем не менее, для приема информации необходим синхронизатор, обеспечивающий поиск ШПС (точнее, поиск центрального пика АКФ) и последующую синхронизацию моментов окончания ШПС (максимумов АКФ) с отсчетными моментами.

Коррелятор является эквивалентом согласованного фильтра при приеме сигнала с известной задержкой с точки зрения помехоустойчивости приема: и коррелятор, и согласованный фильтр обеспечивают одинаковую помехоустойчивость. Но коррелятор не явля-. ется устройством, инвариантным к задержке ШПС. Напряжение на выходе коррелятора

где — время задержки ШПС на входе приемника, время задержки опорного ШПС в генераторе относительно начала координат, а — постоянная, см. (15.1). Лишь при напряжение на выходе коррелятора

совпадает с максимумом, который имеет место на выходе согласованного фильтра (15.2). Но, если то (оно совпадает с соответствующим значением бокового типа АКФ), т. е. на

выхоре при неизвестном времени задержки необходимо производить его измерение.

На рис. 15.3 представлена схема оптимального приемника для приема двух противоположных сигналов (ФМ), выполненного на основе коррелятора. Он состоит из перемножителя (X), интегратора генератора ШПС (ГШПС), решающего устройства (РУ) и синхронизатора

Рис. 15.3. Схема оптимального корреляционного приемника с синхронизатором

Перемножитель, интегратор и генератор представляют собой коррелятор, решающее устройство принимает решение об информационном символе, а синхронизатор обеспечивает поиск ШПС (измерение времени задержки и последующую синхронизацию. Напряжение на вход синхронизатора поступает с интегратора. Если измеренное время задержки не совпадает с истинным (напряжение на выходе интегратора не превышает заранее установленный порог), то синхронизатор изменяет время задержки ШПС в генераторе ШПС. Кроме того, синхронизатор должен обеспечить включение и выключение интегратора (момент а также подачу отсчетных импульсов на решающее устройство. Если длительность ШПСТ, а длительность центрального пика то всего имеется

интервалов неопределенности по задержке. Поэтому в процессе поиска ШПС синхронизатор должен обеспечить перестройку задержки ШПС в генераторе от нуля до с интервалом . Как только задержка ШПС на входе совпадет с задержкой ШПС в генераторе, напряжение на выходе интегратора превысит установленный порог и синхронизатор останавливает процесс поиска ШПС и переходит к осуществлению процесса синхронизации отсчетных моментов с моментами окончания ШПС, а решающее устройство начинает принимать решения о символах передаваемой информации.

Таким образом, и в оптимальном приемнике с согласованным фильтром (см. рис. 15.1), и в оптимальном корреляционном приемнике (см. рис. 15.3) при неизвестной задержке ШПС необходим синхронизатор, который сначала осуществляет поиск ШПС, а затем синхронизацию. Основное отличие синхронизаторов обоих приемников заключается в том, что синхронизатор корреляционного приемника должен изменять задержку ШПС в ГШПС, а процесс поиска ШПС в корреляционном приемнике осуществляется путем просмотра всех интервалов неопределенности. Поэтому время поиска ШПС в корреляционном приемнике может в В раз согласно (15.5) превышать время поиска ШПС в оптимальном приемнике с согласованным фильтром. При больших базах ШПС подобное увеличение

времени поиска ШПС может быть чрезмерным, и поэтому необходимо применять методы более быстрого поиска ШПС. В то же время согласованные фильтры на большие базы являются очень сложными устройствами и их реализация затруднительна. Поэтому для их обеспечения быстрого поиска ШПС и относительной простоты оптимальных приемников на практике используются комбинированные методы приема, основанные на совместном применении и согласованных фильтров (на малые базы), корреляторов.

Необходимо отметить, что синхронизаторы в оптимальных приемниках (рис. 15.1, 15.3), измеряющие время задержки ШПС, а затем осуществляющие синхронизацию, во многом подобны устройствам автоматического сопровождения по дальности (АСД), применяемым в радиолокационных станциях. В ШСС подобные устройства называются схемами слежения за задержкой (ССЗ) или схемами автоматической подстройки времени (АПВ). Поэтому для анализа и синтеза оптимальных измерителей можно использовать методы, широко развитые в радиолокации. Эти вопросы подробно будут рассмотрены в дальнейшем.

В точке приема может быть неизвестна и частота принимаемого сигнала. Неопределенность по частоте вызывается или нестабильностями частоты задающих генераторов передатчика и приемника, или доплеровским смещением частоты из-за движения приемника относительно передатчика, или и тем и другим. На рис. 15.4 приведена частотно-временная плоскость, на которой штриховкой отмечены части плоскости с распределенной энергией ШПС.

Рис. 15.4. Неопределенность ШПС по времени и по частоте

Несущая частота ШПС равна его длительность Т, а ширина спектра Неизвестная задержка первого ШПС равна Если несущая частота ШПС точно равнялась бы значению то энергия всех ШПС распределялась бы в полосе между значениями частот от до Однако из-за доплеровского смещения частоты (а также из-за других возможных причин) несущие частоты ШПС могут отличаться друг от друга, что и отражено на рис. 15.4, на котором несущая частота первого ШПС равна где доплеровское смещение частоты. При этом ШПС могут занимать

полосу от до где ширина частотного интервала, соответствующего доплеровскому смещению частоты.

Таким образом, при неизвестной задержке и неизвестной частоте синтезатор оптимального приемника должен осуществить поиск ШПС по времени и по частоте, а затем обеспечить синхронизацию по этим параметрам, которые могут изменяться во времени. Отметим, что поиск и синхронизация по частоте обеспечиваются устройствами автоматической подстройки частоты (АПЧ), в основе которых лежит фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ). Поэтому синхронизатор при неизвестных времени задержки и частоте ШПС должен содержать комбинации ССЗ и ФАПЧ.

Поиск и синхронизация ШПС является серьезной проблемой теории и техники ШСС, поскольку быстрый поиск и устойчивая синхронизация обеспечивают надежный прием информации. Поэтому решению проблемы поиска и синхронизации ШПС уделяли серьезное внимание многие исследователи (см., например, книги [5—8, 13, 15, 16, 95—99] и библиографию, приведенную в этих книгах, а также журналы [67, 68]). Несмотря на принципиальную ясность вопросов измерения и синхронизации (см. упомянутые книги, а также основополагающие труды по оптимальным измерителям [1, 56, 57, 73, 75, 93, 100—102], до сих пор многие вопросы поиска и синхронизации ШПС остаются открытыми. В первую очередь, не решена окончательно задача построения оптимального синхронизатора с максимальным быстродействием при минимальных потреблениях мощности, массе и габаритов, обеспечивающего поиск и синхронизацию ШПС с большими и очень большими базами . В этом направлении известен ряд методов, но считать решенной эту задачу нельзя.

Как следует из приведенных рассуждений, синхронизатор должен обеспечивать поиск ШПС, а затем его синхронизацию. Оба эти процесса происходят при воздействии шумов или помех (преднамеренных или системных). Поэтому и процесс поиска, и процесс синхронизации сопровождаются ошибками. Следовательно, необходимо так выбирать параметры синхронизатора, чтобы минимизировать ошибки измерения. Прежде всего необходимо выяснить, от чего зависят ошибки измерения. Ответ на этот вопрос дает статистическая теория приема сигналов и измерения их параметров, основы которой были заложены академиком В. А. Котельниковым