6.2.2. Типовые структурные схемы и алгоритмы функционирования основных устройств подсистемы синхронизации

Рассмотрим типовые структурные схемы и алгоритмы устройств подсистемы синхронизации применительно к СРС с двоичной ЧМ. В таких СРС используется согласованная фильтрация с помощью двух полосовых фильтров (частоты  и ) с шириной полосы каждого фильтра  (рис.6.5).

Рис. 6.5.

Входные цепи коррелятора включают полосовой ограничитель, предназначенный для подавления импульсных помех и уменьшения динамического диапазона сигналов. Ограничитель состоит из двух ШПФ, полосы пропускания которых в общем случае равны полному спектру сигнала с ППРЧ , и включенного между ними жесткого ограничителя.

Важно отметить, что алгоритм циклического поиска, использующий одноканальную схему, реализуется наиболее просто среди всех методов поиска. Но так как этот алгоритм является последовательным, то время поиска сравнительно большое, что становится особенно заметным, если область начальной неопределенности момента прихода сигнала велика. Возможный путь ускорения поиска заключается в переходе от одно канального коррелятора к многоканальному коррелятору, т.е. к параллельному методу поиска (текущему методу поиска). Применительно к СРС с ППРЧ это означает что перемножитель (смеситель) (см. рис.6.5) заменяется совокупностью из  параллельно включенных перемножителей (по числу используемых при перестройке различных частот), частоты опорных сигналов которых упорядочены в соответствии с программой ППРЧ  [4]. В результате, когда на вход приемника поступает передаваемая программа ППРЧ, каждый ее частотный элемент длительностью  упорядочение переносится на общую промежуточную частоту (с разнесением по двум каналам, соответствующим двоичной ЧМ).

Далее выходные сигналы перемпожителей задерживаются последовательно убывающей (на длительность частотного элемента) величиной задержки (начиная с задержки, равной , если программа состоит в точности из  элементов) и складываются. В результате по мере поступления скачкообразного сигнала «пассивным» путем формируется вся ВКФ. Текущий поиск посредством многоканального коррелятора протекает в реальном масштабе времени, но его реализация более сложна (число каналов в  раз больше, чем при циклическом поиске). Известны и комбинированные (двухуровневые) методы, объединяющие достоинства двух основных методов [61].

В большинстве же случаев (особенно в сочетании с системой единого времени) наиболее целесообразным является применение в СРС с ППРЧ циклического метода поиска и синхронизации.

Решение о том, совпадает ли опорная ПСП с приходящей ПСП принимается в обнаружителе захвата, простейшая структурная схема которого изображена на рис.6.6

Рис. 6.6.

Поскольку для синхронизации информационная модуляция несущественна, то оба информационных канала СРС, разнесенные по частоте на , объединяются в один, и, кроме того, становится возможным суммировать (некогерентным путем) множество элементов сигнала, не обращая внимание на длительность разряда (бита) информационного кода. Число частотных элементов, по которым устанавливается синхронизация, может охватывать либо всю программу перестройки рабочей частоты, либо только ее часть в целях ускорения вхождения в синхронизм. Полное число суммируемых элементов при межсимвольной ППРЧ составляет , а при внутрисимвольной ППРЧ -. Соответственно время суммирования (интегрирования) равно

где  - протяженность синхропоследовательности, выраженная числом скачков частоты.

Тактовые импульсы от ГУН определяют моменты отсчета при формировании выборки, когда достигают пика автокорреляционные функции частотных элементов. Обработка синхропоследовательности в обнаружителе захвата завершается сравнением полученною значения напряжения  с пороговым уровнем . Обнаружение сигнала считается состоявшимся, если через время  выходное напряжение обнаружителя  превысит пороговый уровень .

Квадратичный детектор, включенный в схему обнаружителя захвата (рис.6.6), позволяет реализовать близкий к оптимальному приемник при малых отношениях сигнал-шум и белом гауссов-ском шуме на входе [62]. В целом обнаружитель захвата полсистемы синхронизации представляет собой типичный некогерентный приемник Выходное напряжение  в рассматриваемой схеме формируется путем суммирования огибающей квадратичного детектора за  скачков рабочей частоты сигнала. Поэтому при действии смеси сигнала и помехи в виде БГШ с нулевым средним одномерная плотность распределения вероятности  выходного напряжения может быть описана выражением

              (6.5)

где  - нормированная переменная;  - параметр нецентральности,  - средняя мощность принятого сигнала;  - дисперсия гауссовского шума,  - модифицированная функция Бесселя первого рода.

В этом случае вероятность обнаружения сигнала (или синхронизации)

                            (6.6)

где - значение нормированного порога, .

Иитеграл в (6.6) может быть представлен в виде обобщенной -функции Маркума. В результате получим [61,63]

                                                    (6.7)

Вероятность пропуска обнаружения синхронизации  можно определить как

                                 (6.8)

В свою очередь, вероятность ложного обнаружения синхронизации  определяется вероятностью того, что порог с превышается выходным напряжением при отсутствии сигнала

                                                           (6.9)

Для поддержания синхронного состояния приемника СРС во время выделения информации (т.е. во время слежения) используется временной дискриминатор (схема автоматической подстройки времени), структурная схема которого изображена на рис.6.7.

Рис. 6.7.

Дискриминатор обеспечивает работу почти всех устройств подсистемы синхронизации (исключая обнаружитель захвата). В подсистеме синхронизации с циклическим поиском работа дискриминатора происходит следующим образом (рис.6.8). Пусть после завершения поиска остаточная ошибка синхронизации составляет  (опорная последовательность опережает входную). На выходе полосовых фильтров коррелятора (см. рис.6.5) имеет место сигнал произведения программ перестройки в случае, когда эти программы перекрываются во времени, и отсутствует сигнал в противном случае. Следовательно, сигнал  на выходе амплитудного ограничителя дискриминатора (см. рис.6.7) равен единице, когда программы  перекрываются, и нулю - в противном случае. На смеситель дискриминатора вместе с сигналом подается сигнал от ГУН , представляющий собой клиппированную синусоиду с частотой  (расщепленный строб). На выходе смесителя образуется трехуровневый сигнал , который после прохождения через низкочастотный фильтр превращается в сигнал ошибки . Под его воздействием ГУН линейно изменяет частоту следования тактовых импульсов

                                                          (6.10)

где  - собственная частота ГУН,  - коэффициент пропорциональности.

Рис. 6.8.

Разность тактовых частот  опорной  и приходящей  программ ППРЧ имеет вид:

         (6.11)

Относительное положение во времени тактовых импульсов (фаза)  может быть определено из соотношения

                                                                             (6.12)

Следовательно,

                                         (6.13)

где  - начальное смещение синхропоследовательностей после завершения поиска (начальная фаза), .

Учитывая (6.13) и считая, что на протяжении времени приема сообщения тактовая частота приходящей программы не изменяется (т.е.), имеем:

    (6.14)

Из полученного выражения следует, что если знак сигнала ошибки  противоположен знаку суммы двух первых слагаемых в (6.14), то система стремится к состоянию, в котором =0. Именно это и происходит в схеме автоматической подстройки времени (дискриминаторе), как это видно из эпюр напряжений на рис.6.8 и дискриминационной характеристики , изображенной на рис.6.9.

Рис. 6.9.

Поскольку обычно , то основной функцией подсистемы синхронизации в режиме слежения является поддержание ошибки синхронизации  вблизи нуля.

Для реализации стратами поиска-захвата и управления параметрами подсистемы синхронизации в основные моменты ее переходов из одного состояния в другое служит блок управления. Этот блок обеспечивает следующие переходы: из состояния поиска в состояние необнаружения (совершение шага поиска); из состояния поиска в состояние захвата (переход к слежению); из состояния захвата в состояние необнаружения (срыв слежения, переход к поиску с совершением одного шага). Блок управления, структурная схема которого изображена на рис.6.10, состоит из программируемых элементов, в память которых заложена требуемая логика поиска-захвата, и управляющих элементов, формирующих необходимые команды.

Рис. 6.10.

Выбор стратегии поиска-захвата оказывает большое влияние на время, требуемое для достижения синхронизации. Так как желательно быстрое обнаружения сигнала на каждом цикле поиска, то полное время накопления частотных элементов в обнаружителе захвата должно быть как можно короче, но, вполне очевидно, что для обеспечения высокой вероятности требуется большое время. Компромисс между этими противоречивыми требованиями может быть найден путем оптимизации среднего времени поиска.

Одна из типовых стратегий поиска-захвата показана на рис.6. П в виде схемы состояний и переходов [64], на которой обозначено:  - число частотных элементов ПСП, интегрируемых на каждом этапе в режимах поиска и слежения.

Рис. 6.11.

Этот тип стратегии называют стратегией счета «вверх-вниз». Начальному состоянию - поиск 1 - присваивается счет 1. Каждое обнаружение увеличивает счет на единицу, а пропуск (непревышение порога) уменьшает счет на единицу. Достижение счета 0 означает, что опорная программа перестройки должна быть сдвинута на один шаг () при параметрах системы, соответствующих режиму поиска, после чего счет возвращается к 1. При этом логика поиска-захвата следующая: захват считается состоявшимся (и система переходит в режим слежения), если произошло два обнаружения подряд при одном положении программы перестройки (достижение счета 3); захват считается сорвавшимся (и система вновь переходит к поиску), если произошло подряд три непревышения порога в обнаружителе захвата (достигается счет 0).

Важной особенностью данной стратегии является то, что при переходе из одного режима в другой изменяются параметры обнаружителя захвата (время суммирования от  к  и значение порога), ГПС кода (программы ППРЧ), а также логика поиска-захвата. Это обусловлено тем, что в режиме слежения подсистема синхронизации находится продолжительное время (время приема сообщения) и недостаточно высокая вероятность обнаружения здесь может вызвать преждевременное (ложное) решение о срыве захвата, в результате чего синхронизация будет нарушена.

Поскольку переход в режим слежения эквивалентен предположению о правильной синхронизации, то представляется целесообразным уменьшить величину порога  с тем, чтобы повысить вероятность обнаружения. Процедура решения заключается в испытании отношения правдоподобия, величина порога при этом в общем случае зависит от априорной вероятности гипотезы о наличии сигнала (с тем или иным положением программы ППРЧ) [61]. В режиме поиска эта вероятность обычно мала и наиболее подходящим критерием при проверке гипотез является критерий Неймана-Пирсона (фиксируется на заданном уровне вероятность ложной тревоги). Для случая, когда захват состоялся, большее значение приобретает апостериорная вероятность правильной синхронизации (т.е. вероятность наличия сигнала с конкретным положением программы ППРЧ). Эта вероятность является априорной при испытании гипотез в режиме слежения, и, очевидно, порог обнаружения может быть понижен, чтобы отдать предпочтение более вероятной гипотезе.

В режиме слежения, как отмечалось, также может быть увеличено время интегрирования (суммирования) в обнаружителе захвата, поскольку время поиска при этом не увеличивается, а среднее время поддержания захвата растет. Конечно, с увеличением времени нахождения в захвате вероятность потери захвата (срыва слежения) в конечном счете приближается к 1, но для разумных интервалов времени вероятность сохранения захвата может быть сделана достаточно высокой для практических целей [64].

Увеличение времени фиксации факта потери захвата приводит и к тому, что изменяется процесс выхода из ложного захвата, обусловленного ложными тревогами, что увеличивает время поиска. Однако, если вероятность ложного захвата невелика, что может быть достигнуто и за счет усложнения логики захвата, то среднее время поиска не будет существенно увеличено.

На рис.6.12 приведена одна из наиболее простых для технической реализации структурных схем подсистемы синхронизации сигналов с ППРЧ, в которой схема обнаружения ступенчатого последовательного поиска объединена со схемой слежения [63].

Рис. 6.12.

Схема грубого обнаружения обеспечивает обнаружение принимаемой программы ППРЧ примерно до половины кодового бита (или частотного элемента ), а для более точного обнаружения и устойчивой синхронизации имеется схема слежения, в качестве которой может быть использован контур, применяемый в радиолокационных станциях, обеспечивающих сопровождение целей по дальности [63].

Другие возможные схемы слежения за задержкой сигналов, применяемые в СРС с ППРЧ. подробно рассмотрены в [58].

Простейшей стратегией для рассматриваемой подсистемы синхронизации является: возврат подсистемы синхронизации в режим поиска при одиночном непревышении порога  выходным напряжением  для более сложной стратегии управления (для перехода подсистемы синхронизации в режим поиска) требуется несколько случайных непревышений порога  выходным напряжением .