4.4. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ТАКТОВ И НЕСУЩЕЙ

Системы передачи, в которых применяется двоичное кодирование и в силу этого скорость передачи и скорость модуляции одинаковы, а правильное положение во времени тактовых интервалов может быть хотя бы приближенно восстановлено по принятому сигналу (второе условие Найквиста, см. разд. 4.1.4), чаще всего работают без синхронизации. В любом случае, однако, чтобы можно было различить многие следующие друг за другом символы одинаковой полярности, в оконечном устройстве должна осуществляться дискретная выборка отсчетов сигнала. В так называемых старт-стопных системах с этой целью к каждому из передаваемых знаков, состоящих из заданного числа битов, добавляется стартовый бит и один или несколько стоповых битов. Тогда, используя смену полярностей при переходе от стартовой посылки к стоповой, можно взять отсчеты отдельных битов знака с некоторой местно генерируемой тактовой частотой. При этом допустимо такое

различие между тактовой частотой передатчика и тактовой частотой; получаемой в приемном оконечном устройстве, при котором последний бит знака в пределах допустимой ошибки считывается еще правильно. Таким образом, по специальному передаваемому стартовому биту должна быть восстановлена только фаза отсчетного такта.

В системах, в которых для синхронизации принимаемого сигнала по тактам не применяется дополнительных битов, а также в системах с многопозиционным кодированием передаваемых сигналов, (см. разд. 4.1.6) тактовая частота, с которой берутся отсчеты принимаемого сигнала, также должна быть согласована с тактами на передаче. Различие частот привело бы к возрастающему со временем отклонению от правильных моментов отсчета и в результате к добавлению или потере битов, причем время, за которое это произойдет, зависит от указанной разности частот.

Методы восстановления тактовой частоты и фазы тактов будут рассмотрены в разд. 4.4.1.

Если принимаемый сигнал должен демодулироваться когерентно, то наряду с тактами отсчетов в приемнике необходимо иметь несущее колебание с надлежащими частотой и фазой. Это требуется также при однополосной передаче, квадратурной амплитудной модуляции или фазовой модуляции (см. разд. 4.3). Способы обеспечения указанного требования рассматриваются в разд. 4.4.2.

4.4.1. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ТАКТОВОЙ ЧАСТОТЫ И ФАЗЫ ТАКТОВ

Для облегчения дальнейшего анализа рассмотрим вначале систему, у которой принимаемый сигнал данных хотя бы приближенна удовлетворяет второму условию Найквиста, а следовательно, может быть восстановлен в приемнике и по длительности.

На рис. 4.42 показаны соответствующие сигналы. Слева изображен отдельный неискаженный тактовый интервал. В соответствии с рисунком по правилам, обсуждавшимся в разд. 4.1.3, моменты отсчета выбраны на удалении от момента перехода цифрового передаваемого или принимаемого сигнала из одного состояния в другое, т. е. в серединах тактовых интервалов.

У принимаемого сигнала (третья строка на рис. 4.42) имеются отклонения моментов пересечения нуля от требуемых моментов, которые задаются переходами «отжатие» — «нажатие» принимаемого тактового сигнала (синхросигнала). Эти отклонения могут быть вызваны, например, помехами в канале связи. Они

(кликните для просмотра скана)

отражают также временные отклонения принимаемого тактового сигнала, если последний синхронизирован не так идеально, как это изображено для первого интервала.

На рис. 4.42 предполагается, что любые отклонения моментов изменения принимаемого тактового сигнала от требуемых корректируются некоторым постоянным значением Это тот встречающийся в практически применяемых системах случай, когда тактовый сигнал на приеме формируется путем деления высокой частоты. Корректирующие сдвиги получаются при этом за счет добавления или устранения одного импульса высокой частоты. Если сделать количество импульсов зависимым от отклонения указанных моментов времени, то можно добиться быстрой синхронизации при больших временных искажениях принимаемого тактового сигнала.

Как видно из сравнения строк 4 и 6 на рис. 4.42, принимаемый сигнал корректируется. Временные отклонения двоичного сигнала данных (строка 6), передаваемого далее, на стык с помощью принятого тактового сигнала (строка 5), меньше, чем отклонения двоичного сигнала данных (строка 4), восстановленного непосредственно по принятому аналоговому сигналу (строка 3).

Коррекцию тактовых интервалов можно провести и тогда, когда заданное число отклонений от требуемых моментов превышено [4.37]. Благодаря этому при отклонениях, вызванных случайными помехами, временные сдвиги принимаемого тактового сигнала получаются малыми, а тем самым и сигнал данных выдается на стык с незначительными искажениями.

Хотя описанная коррекция позволяет легко определить моменты отсчета принимаемого сигнала, она лишь приближенно отвечает стремлению выбрать их таким образом, чтобы вероятность ошибки была минимальной (регулировка по критерию максимального правдоподобия). Рассмотренный выше способ регулировки при двоичной передаче является одним из наиболее простых. Для всех методов передачи существует общее правило установки на минимум пересечения уровней вблизи максимального раскрытия «глазка» [4.38]. Применяется также регулировка по минимальному временному изменению сигнала данных в точках отсчета [4.39]. Реализация таких регулировок, однако, существенно зависит от метода передачи.

С помощью надлежащей регулировки можно правильно установить не только фазу тактов, но и тактовую частоту. Если, например, длительные односторонние отклонения от требуемых моментов времени происходят в системах, удовлетворяющих второму условию Найквиста, то это соответствует некоторому отклонению частоты. Тогда нужна лишь подрегулировка в соответствии с отклонением частоты. Так как отклонение частоты тактового сигнала, согласно Рекомендациям и в каждом случае меньше чем то это в общем удается. Другие

системы, в которых из-за больших отклонений частоты сигнала тактовая частота должна восстанавливаться по пилот-сигналу, практически не применяются.

Особенно важно точное регулирование моментов отсчета в системах, в которых используются адаптивные корректоры [29]. Дело в том, что в таких системах адаптивный корректор обычно обрабатывает только значения отсчетов, т. е. управляется тактовым сигналом (см. разд. 5.3.2). Указанное регулирование имеет важное значение именно при тактовом управлении корректором еще и потому, что синхронизация обычно должна быть восстановлена по сильно искаженному сигналу. Ведь преимущество адаптивного корректора как раз в том и состоит, что для безошибочной передачи при отсутствии помех не требуется наличия хоть сколько-нибудь открытого «глазка» на глазковой диаграмме, как у систем без адаптивной коррекции. В системах с адаптивной коррекцией в большинстве случаев предусматривается стартовый режим, например, с применением отдельных импульсов, при котором и по сильно искаженному принятому сигналу может быть, по крайней мере грубо, восстановлен такт и грубо отрегулирован корректор.

При последующей «точной» регулировке можно комбинировать критерии, по которым устанавливаются тактовые интервалы и коэффициенты адаптивного корректора. Возможные различные критерии регулировки ведут при этом к разным реализациям; так, в [4.43] обсуждается регулирование до получения некоторой оптимальной оценки, а в [4.44] — по критерию минимума среднеквадратической ошибки. Выбор и практическая реализация системы регулировки зависят в данном случае не только от метода передачи, но еще сильнее от структуры выбранного корректора.

Кроме того, если применяется адаптивный корректор, то имеется возможность совсем отказаться от специального регулирования фазы тактов, возложив на него эти функции [4.45]. Точный анализ данного метода, применение которого, в принципе, желательно, должен, однако, производиться с учетом практически ограниченного диапазона регулировки у реальных звеньев корректора и, поскольку это связано с учетом нелинейности, может оказаться осуществимым только на основе моделирования. Практический опыт работы с такими системами до сих пор мало освещен.

При рассмотренных выше методах в любом случае должна быть гарантия, что в сигнале данных содержится достаточная для восстановления тактов информация. При передаче в первичной полосе частот это можно всегда обеспечить путем специального кодирования сигнала данных (см. разд. 4.2). Такая возможность, однако, всегда приобретается определенной ценой: например, при двухфазном методе за счет более широкой полосы частот, при методе за счет размножения ошибок.

Часто прибегают к перемешиванию (скремблированию) передаваемых данных с помощью скремблера, который из произвольной последовательности данных формирует псевдослучайную последовательность [4.46, 9] На приеме должно быть выполнено обратное перекодирование с помощью дескремблера.

Рис. 4.43. Скремблер и дескремблер

Основной частью скремблера является регистр сдвига с обратной связью, показанный на рис. 4.43. Сигнал данных, т. е. двоичная последовательность с помощью регистра сдвига в соответствии с соотношением

(здесь в качестве примера взят семиразрядный регистр) преобразуется в посылаемую двоичную последовательность . В приемнике из этой последовательности таким же регистром сдвига, входящим в дескремблер, формируется последовательность

Последовательность на выходе дескремблера идентична первоначальной последовательности Это легко проверить, преобразовав (4.36) к виду

и сравнив его с (4.37).

Специальные меры по синхронизации скремблера и дескремблера не требуются, так как после прохождения семи символов оба регистра сдвига имеют одинаковое содержимое. Однако при

особенно неблагоприятных двоичных последовательностях даже после перекодировки данных с помощью регистра сдвига могут обнаруживаться нежелательные двоичные последовательности. Чтобы предотвратить это, в скремблере и дескремблере предусмотрены схемы контроля, которые при определенных условиях вызывают дополнительные переключения в двоичных последовательностях (например, согласно Рекомендациям МККТТ V.27 [4.47] и V.35 [4.42, 4.48]).

Как следует из (4.38) и рис. 4.43, при одной единственной ошибке в последовательности в данном примере ошибочными получаются также последующие шестой и седьмой символы. При дескремблировании имеет место размножение ошибок, в данном случае с коэффициентом 3. При групповых ошибках, если неверен именно шестой или седьмой символ (для данного примера), этот коэффициент может быть меньше трех.