Глава 6. Синхронизация в системах радиосвязи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты

6.1. Назначение подсистемы синхронизации

Прием и обработка любых широкополосных сигналов, включая сигналы, спектр которых расширяется методом ППРЧ, требуют точной синхронизации между опорной псевдослучайной последовательностью (ПСП) приемника и передаваемой ПСП. Только в случае, когда параметры принимаемого сигнала, в том числе и его запаздывание во времени, известны в точке приема, возможна эффективная работа приемного устройства СРС. В реальных условиях по целому ряду причин (нестабильность генераторов ПСП в передатчике и приемнике, задержка сигнала при распространении от передатчика к приемнику и др.) точный, момент прихода сигнала на вход приемника неизвестен. Неизвестной (смещенной) в точке приема может быть и частота принимаемого сигнала, в основном по причине ее доплеровского смещения за счет относительного перемещения носителей приемника и передатчика СРС. При дальнейшем изложении частотное смещение сигнала не учитывается и рассматривается только синхронизация по времени (временная синхронизация). В этом случае на приемной стороне должны быть приняты меры по совмещению во времени опорной и приходящей ПСП и поддержанию этого состояния во время передачи сообщения. Требуемые меры возлагаются на подсистему синхронизации СРС [1,2,4,54-59].

При расширении спектра сигнала методом ППРЧ его рабочая частота скачкообразно изменяется. Устройство, скачкообразно изменяющее частоту сигнала в соответствии с заданной ПСП, назовем формирователем сигналов с ППРЧ, структурная схема которого приведена на рис.6.1. Программа, в соответствии с которой перестраивается частота, создается ГПС кода и представляет собой последовательность- неперекрывающихся прямоугольных импульсов длительностью

         (6.1)

где  - время работы на одной частоте (длительность частотного элемента сигнала);  - число частот в программе .

Рис. 6.1.

Все частоты  выбираются из множества отведенных для перестройки частот. Программа перестройки  подается на синтезатор частот, который вырабатывает сигнал вида:

                           (6.2)

где  - амплитуда сигнала;  - случайный сдвиг фазы, вносимый синтезатором при переключении частот (считается постоянным за время работы на одной частоте).

Сигнал с выхода синтезатора перемножается с сигналом, поступающим от модулятора. Результирующий сигнал фильтруется в полосовом фильтре, который подавляет ненужные частотные составляющие. На выходе фильтра формируется сигнал вида:

                     (6.3)

где  - последовательность положительных и отрицательных импульсов, ;  - половина разноса между частотами манипуляции;  - фаза, вносимая частотным модулятором, которая предполагается постоянной при передаче каждого символа информации;  - средняя частота модулятора.

Если формирование сигнала происходило на промежуточной частоте, то требуется перенос сигнала на радиочастоту в дополнительном смесителе, после чего сигнал излучается. При распространении сигнала в канале передачи к нему добавляются непреднамеренные и организованные помехи  а на вход приемника - и собственные шумы  последнего. В результате на вход приемника СРС поступает сигнал

                  (6.4)

где  - коэффициент передачи канала; - задержка приходящего сигнала относительно некоторого условного отсчета времени.

В приемнике СРС с ППРЧ для выделения переданного сигнала производится устранение скачков частоты (так называемая свертка ППРЧ) и демодуляция, а при кодированном сигнале - и декодирование. Устранение скачков частоты сигнала с ППРЧ выполняется путем перемножения принятого сигнала на опорный (местный) сигнал приемника. В результате формируется функция корреляции двух сигналов (функция неопределенности). Но так как момент прихода сигнала на вход приемника точно неизвестен, то образуемая на выходе коррелятора сигналов с ППРЧ взаимнокорреляционная функция (ВКФ) может иметь очень малую величину. Задача подсистемы синхронизации заключается в максимизации-этой функции, что достигается в случае, когда принимаемая и опорная последовательности ППРЧ (программы ) достаточно точно совмещаются во времени.

Очевидный путь решения данной задачи - сначала обнаружить каким-либо способом принятый сигнал, а затем совместить его с опорным, - является в большинстве случаев практически нереализуемым, так как обнаружить в общем случае слабый сигнал на фоне шумов, не зная точного положения во времени программы его перестройки , не представляется возможным. Таким образом, требуется осуществить обнаружение с одновременным измерением времени задержки (запаздывания) сигналов. При этом априорная неопределенность значения задержки может превышать ширину пика ВКФ.

Отсюда следует, что на первом этапе синхронизации требуется установить положение главного пика ВКФ, т.е. обнаружить сигнал и хотя бы (с точностью до большей части ширины пика ВКФ ) оценить значение задержки. Данный этап реализуется режимом поиска. Этот режим заключается в поиске по области временной неопределенности такого положения опорной программы перестройки частоты, при котором она ближе всего совпадает с программой приходящего сигнала. В большинстве случаев синхронизация в режиме поиска является периодической, т.е. устанавливаемой по положению любого главного пика периодической ВКФ [59]. В целях ускорения поиска и упрощения аппаратуры синхронизация может осуществляться не по всей длине программы перестройки, а по некоторой ограниченной ее части. Платой за это является увеличение уровня побочных максимумов ВКФ и уменьшение отношения сигнал-шум.

Тактовые частоты  опорной и принимаемой программы перестройки рабочей частоты на этапе поиска обычно не синхронизируются, поскольку в СРС предпринимаются меры, чтобы их уход был незначителен. Кроме того, попытка точно измерить тактовую частоту перестройки в приходящем сигнале требует применения либо ряда параллельных обнаружителей с различными опорными тактовыми частотами, что серьезно усложняет приемник, либо последовательной процедуры, что дополнительно замедляет поиск. И то и другое обычно нежелательно. Поскольку на этапе приема информации ошибка должна быть сведена к минимуму, на подсистему синхронизации возлагается и точного выравнивания тактовых частот, но она выполняется только после первоначального обнаружения сигналов.

Помимо синхронизации программ перестройки частоты в СРС с ППРЧ, как и в любой другой цифровой СРС, для эффективной работы демодулятора требуется синхронизация разрядов кодовой последовательности (частоты ), а в общем случае и кодовых слов и кадров. При наличии шума наилучший демодулятор представляет собой оптимальный приемник, который может быть реализован в виде коррелятора или согласованного фильтра. Работа коррелятора требует точной синхронизации принятого и опорного битовых сигналов, следующих с тактовой частотой кода, а также установления моментов включения и выключения (сброса) интегратора. В согласованном фильтре требуется брать отсчеты в моменты, когда выходной сигнал достигает максимума. Как видно, в любом варианте демодулятор может эффективно функционировать только при достигнутой синхронизации разрядов кода.

Заметим, что при межсимвольной ППРЧ, когда , где  - целое число, после синхронизации программы перестройки можно сравнительно просто обеспечить синхронизацию разрядов кода путем умножения частоты на . При внутрисимвольной ППРЧ, когда , переход от синхронизации перестройки частоты к синхронизации разрядов кода невозможен, и для выполнения последней операции требуются специальные сигналы [56].

После того как поиск завершился и начала осуществляться связь, становится важным ее не потерять, т.е. не выйти из синхронизма. С этой целью требуется поддержание максимально близкого совпадения опорной и приходящей программ перестройки частоты и выравнивание их тактовых частот. Для обеспечения уверенности в том, что близкое совпадение программ  поддерживается, необходим специальный режим (соответственно и алгоритм) функционирования подсистемы синхронизации, а именно режим слежения.

Учитывая изложенное, на рис.6.2 [4] изображена обобщенная структурная схема подсистемы синхронизации.

Рис. 6.2.

В этой подсистеме приходящий сигнал вначале захватывается опорным ГПС кода с использованием цепей поиска, а затем поддерживается в синхронизме цепями слежения. Более конкретная схема в значительной степени определяется тем, какой метод синхронизации выбран. Известно множество методов поиска и синхронизации, различающихся по своей универсальности (т.е. по степени пригодности для различных видов сигналов), быстроте сходимости и сложности реализации.

На рис.6.3 приведена одна из возможных схем классификации методов поиска и синхронизации [59].

Рис. 6.3.

Выбор метода поиска и синхронизации зависит от многих факторов, определяемых назначением и тактико-техническими требованиями к СРС. В системах передачи информации наиболее распространенными являются универсальные методы поиска и синхронизации, которые не зависят от вида сигнала [54,55,59]. Универсальные методы реализуются путем вычисления ВКФ приходящего и опорного сигналов и определения точки ее максимума [59]. В режиме поиска, основным требованием которого является быстрота вхождения в синхронизм (захвата), положение пика ВКФ определяется достаточно грубо, но не хуже его ширины. В режиме слежения положение максимума уточняется и далее поддерживается. Одновременно в этом режиме контролируется сохранение захвата с той целью, чтобы отслеживался реальный (а не ложный) пик ВКФ. В случае установления факта срыва захвата подсистема синхронизации должна иметь возможность снова перейти в режим поиска, а затем и слежения.

Дальнейшее рассмотрение вопросов синхронизации будет проводиться применительно к дуплексной СРС. В такой системе передача сообщения начинается после получения сигнала от приемного устройства об установлении синхронизации. В случае, если произошел срыв захвата в ходе его контроля при передаче сообщения, то на приемной стороне СРС вырабатывается и передается сигнал об отсутствии синхронизации. При этом возобновляется процесс поиска сигнала с прерванной до этого позиции. О новом захвате передается сигнал на передающую сторону СРС и передача сообщения возобновляется с самого начала. Такая стратегия работы, при которой результаты синхронизации становятся известными на передающей стороне СРС, позволяет полностью реализовать возможности, заложенные в подсистеме синхронизации и проследить динамику процесса синхронизации. Заметим, что в симплексной СРС для решения задачи синхронизации заранее устанавливается определенное «контрольное» время, за которое подсистема синхронизации должна войти в правильный захват. По истечении этого времени передатчик СРС начинает транслировать сообщение.