Тактовая синхронизация. Выделение тактовой частоты.

Системы синхронизации в ЦСП.

Устрой­ства тактовой синхронизации УТС обеспечивают синхронную работу ГО приемной и передающей частей ЦСП. Только в этом случае ГО приемной части будет вырабатывать управляющие сигналы, совпадающие по частоте и времени с импульсными последовательностями, поступающими в приемное оборудование ЦСП из линейного тракта, обеспечивая тем самым правильную цифровую обработку сигналов. Следовательно, основная задача УТС - исключить расхождение частот ГО передачи и приема или, в крайнем случае, обеспечить небольшую величину этого расхождения. Как извест­но, в аналоговых системах передачи для этих целей применяют, в основном, технические решения, обеспечивающие стабилизацию частоты задающих генераторов приемного и передающего обору­дования (например, кварцевую стабилизацию). Рассмотрим, до­статочно ли применения принципа стабилизации частоты ЗГ для цифровых систем передачи.

Предположим, что частота ЗГ первичной ЦСП f_ЗГ =f_т=2,048 МГц. Определим максимально допустимую относительную нестабильность частоты ЗГ: k=Δf_ЗГmax/f_ЗГн, где f_ЗГн - номи­нальное значение f_ЗГ, а Δf_ЗГmax - максимальное отклонение час­тоты ЗГ от поминального значения. Очевидно, что в предельном случае управляющий распределительный импульс может не сов­падать по временному положению с регистрируемым на величи­ну, равную длительности одного символа, т. е. половину тактово­го интервала Т/2 (в этом случае говорят о не синхронности пере­дающего и приемного оборудования по символам). В наихудшем случае при отклонении частот ЗГ в разные стороны от f_ЗГн на величину Δf_ЗГmax взаимное положение регистрируемого и управляющего импульсов должно отличаться на Δt<T/2=1 (2f_{т н}). При этом период f_т не должен изменяться больше чем на Т/4 [4].

Предположим, что в момент включения системы частоты ЗГ передающей и приемных частей первичной ЦСП одинаковы и в дальнейшем расходятся. Определим, за какой промежуток време­ни t_ПС при относительной нестабильности k частот ЗГ будет до­стигнуто положение не синхронности по символам. Так как t_ПС=Т/(4k)=1/(4f_тk), то, следовательно, k=1/(4f_тt_ПС)≈1/(8·10⁶t_ПС). Если принять, что система будет выходить из состояния синхронизма каждый час (а это будет очень плохая система, так как выход из состояния синхронизма по символам приводит к прекра­щению связи), то требуемая в этом случае относительная нестабильность частоты ЗГ составит k =1/(8·10⁶·3,6·10³)≈3,7·10^-11, что недостижимо по техническим и экономическим соображениям.

Вывод, следующий из вышеприведенных расчетов: реализация современных ЦСП без устройств тактовой синхронизации (фазирования по посылкам) невозможна.

В ЦСП к устройствам тактовой синхронизации предъявляются следующие требования:

1) высокая точность подстройки частоты и фазы управляющего сигнала ЗГ приемной части;

2) малое время вхождения в синхронизм;

3) сохранение состояния синхронизма при кратковременных пере­рывах связи.

Различают две группы УТС, отличающиеся методом использо­вания синхросигналов. К первой группе относятся устройства с синхронизацией по специальному синхросигналу. Этот метод усложняет построение линейного тракта ЦСП и генераторного обо­рудования, к тому же точность установки фазы управляющих сигналов в большой степени связана с нелинейными искажениями и неравномерностью частотных характеристик линейного тракта. Ко второй группе относятся методы подстройки фазы управляющих импульсов под основной принимаемый сигнал. Такую под­стройку можно осуществить либо по специальным синхроимпуль­сам, либо по рабочим импульсам (элементам кодовых комбинаций цикла). Применение специальных синхроимпульсов снижает пропускную способность системы, поэтому на практике нашел применение метод тактовой синхронизации по рабочим импульсам. Эту группу УТС можно разделить на две подгруппы, отличающиеся способом выделения тактовой частоты.

Основное применение в ЦСП с невысокой скоростью передачи нашли УТС c резонансной системой для выделения тактовой час­тоты. Достоинства таких систем — простота реализации и, как следствие, улучшение экономических показателей системы, явля­ются определяющими при реализации ЦСП местных и зоновых сетей. Недостатки УТС такого типа: быстрое пропадание тактовой частотны при перерывах связи или при появлении в принимаемом сигнале длинных серий пробелов (нулей); зависимость стабильно­сти выделенной тактовой частоты (а следовательно, и точности фазирования) от длины серии нулей (характера кодовых комби­наций) и стабильности параметров фильтра, выделителя тактовой частоты, а также от скорости передачи.

Более сложным является метод синхронизации с применением устройств автоподстройки частоты генераторов тактовой частоты приемного оборудования, лишенный недостатков первого метода. Иногда эти два метода называют соответственно методами пассивной и активной фильтрации частоты. Устройства тактовой синхронизации с активной фильтрацией получают все большее рас­пространение в ЦСП в связи с их достоинствами и упрощением вопросов реализации на основе более совершенной элементной базы, обеспечиваемой развитием микроэлектроники.

Сущность метода пассивной фильтрации тактовой частоты состоит в том, что из входного цифрового сигнала с помощью по­лосовых фильтров, резонансных контуров или избирательных уси­лителей выделяется тактовая частота. Часть УТС, обеспечивающая выполнение этих функций, называется выделителем тактовой частоты (ВТЧ). Структурная схема этого устройства приведена на рисунке 1.34: ВС - входной сигнал, СИ – синхроимпульс, ФСИ – формирователь синхроимпульса.

 

Рисунок 1.34 Структурная схема выделителя тактовой частоты.

Рассмотрим сущность резонансного метода. Известно, что энергетический спектр случайной последовательности импульсов со скважностью q >1 содержит как непрерывную G_н(f), так и дис­кретную G_д(f) составляющую (рисунок 1.35, а). Дискретная часть энергетического спектра представляет собой сумму гармоник, кратных тактовой частоте (частоте следования импульсов). Этот вывод можно сделать, не применяя сложных математических вы­кладок, если представить, случайный двоичный сигнал и в виде суммы регулярной однополярной последовательности импульсов и случайной двухполярной последовательности импульсов [1].

Рисунок 1.35 Принцип выделения тактовой частоты из спектра случайного сигнала.

Как известно, регулярная последовательность импульсов с тактовой чистотой f_т имеет дискретный (линейчатый) спектр G_д(f), в составе которого в качестве первой гармоники выступает состав­ляющая с частотой, равной тактовой. Попутно отметим, что слу­чайная двухполярная последовательность импульсов, как видно из рисунка 1.35, б, не может быть в свою очередь получена как сумма случайной и регулярной составляющих и, следовательно, спектр такой последовательности не содержит дискретных составляющих. Очевидно, что превращение двухполярной последовательности в однополярную (например, применением выпрямительных устройств) позволяет восстановить дискретную часть спектра. Сле­дует обратить внимание на то, что если линейный сигнал пред­ставляет собой случайную последовательность импульсов с часто­той f_т и q= 1, то энергетический спектр такого сигнала вообще не содержит дискретной части спектра. Сказанное можно проследить по рисунку 1.36, ана котором показано, что, если q →1, то регулярная последовательность импульсов «сливается» в постоянную состав­ляющую.

Для получения тактовой частоты в этом случае приходится применять более сложный метод нелинейного преобразования, чем выпрямление. В таких случаях можно применить метод выделения фронтов, позволяющий увеличить, скважность двоичной последо­вательности импульсов и тем самым ввести в спектр преобразо­ванного сигнала дискретную составляющую. На рисунке 1.36, б приве­ден пример реализации принципа выделения фронтов сигнала со скважностью q= 1. С этой целью кроме входной импульсной по­следовательности формируется последовательность импульсов, полученная из входной сдвигом на половину тактового интервала.

Вычитание из первой последовательности второй приводит к формированию случайной двухполярной последовательности со скважностью q= 2 и тактовой частотой, равной, как видно из ри­сунка, тактовой частоте входной последовательности. Выпрямле­ние двухполярной последовательности формирует однополярный сигнал с тактовой частой, равной тактовой частоте входной слу­чайной последовательности импульсов, и скважность q= 2>1, со­держащей в спектре дискретную составляющую с частотой, рав­ной тактовой. Аналогичных результатов можно достигнуть, исполь­зуя для выделения фронтов дифференцирующие цепочки.

В практических случаях на вход ВТЧ двоичный сигнал при­ходит искаженным, с «заваленными фронтами», а в некоторых случаях устройствами линейного тракта специально формируют сигнал в виде колоколообразных импульсов. Формирование им­пульсной последовательности со скважностью q >1 в этом случае возможно путем одностороннего или двухстороннего ограничения, что и показано на рисунке 1.36, в

Рисунок 1.36 Получение тактовой частоты из последовательности импульсов, «затянутых на тактовый интервал».

В оконечной приемной аппаратуре при резонансном методе тактовой синхронизации, как правило, в качестве ЗГ используется ВТЧ, благодаря чему обеспечивается жесткое фазирование управ­ляющих импульсных последовательностей приемной части относительно управляющих импульсных последовательностей передаю­щей части системы. Выделенный гармонический сигнал тактовой частоты обычно преобразуется в основную управляющую им­пульсную последовательность с частотой следования, равной f_т, из которой в ГО формируют другие управляющие сигналы. Для формирования тактовых импульсов использую специальные уст­ройства формирования синхроимпульсов ФСИ. Устройства активной фильтрации тактовой частоты могут быть подразделены на две группы:

с непосредственным воздействием на местный ЗГ тактовой частоты;

с воздействием на промежуточный преобразователь ПП так­товой последовательности.

Структурные схемы УТС с активной фильтрацией представле­ны на рисунке 1.37.

В схеме с непосредственным воздействием на ЗГ (рисунок 1.37, а ) подстройка тактовой частоты под частоту принимаемых импуль­сов осуществляется по управляющему напряжению U_{Р Ф}, снимае­мому с фазового дискриминатора (ФД), значение и знак которого зависят от значений и знака разности фаз входных сигналов ФД. Так как напряжение U_{Р Ф} на выходе ФД имеет дискретный характep, непрерывное регулирование частоты ЗГ можно осуществить, пропуская напряжение U_{Р Ф} через интегратор (сглаживающую цепочку) (I).

Во втором случае (рисунок 1.37, б) изменение тактовой частоты осуществляется изменением числа импульсов, поступающих на вход делителя частоты (ДЧ) через схему управления (СУ). Управле­ние осуществляется от сигнала с выхода ФД, пропущенного через цифровой интегратор на основе реверсивного счетчика PC.

 

Рисунок 1.37 Структурная схема устройства активной фильтрации тактовой частоты.

Цикловая синхронизация.

Синхрониза­ция приемной и передающей станции по циклам обеспечивает правильное декодирование кодовых групп и распределение груп­пового АИМ сигнала по соответствующим приемникам каналов. Для обеспечения этой синхронизации в начале каждого цикла в состав группового цифрового сигнала вводится специальный син­хросигнал, который представляет собой отдельный импульс или группу импульсов определенной комбинации.

К системам цикловой синхронизации предъявляются следую­щие основные требования:

1) время вхождения в синхронизм при первоначальном включе­нии аппаратуры в работу и время восстановления синхронизма при его нарушении должно быть минимально возможным;

2) число разрядов синхросигнала в цикле передачи при заданном времени восстановления синхронизма должно быть минимальным;

3) приемник синхросигнала должен быть помехоустойчивым, что обеспечивает большее среднее время между сбоями синхронизма.

При реализации этих требований приходится решать противо­речивые задачи. Ввод синхросигнала в групповой сигнал допол­нительно к кодовым группам информации требует увеличения скорости передачи группового сигнала, а это увеличивает полосу частот, передаваемых по линии. Если скорость передачи оставить прежней, то синхросигнал надо вводить взамен части информа­ционных символов, а это уменьшает пропускную способность системы передачи. Аналогичные противоречия встречаются и при выборе числа разрядов в синхросигнале. Уменьшение разрядов в синхросигнале повышает пропускную способность ЦСП, но уве­личивает время восстановления синхронизма, так как возрастает вероятность появления аналогичных комбинаций в информационных символах. Увеличение разрядов в синхросигнале улучшает работу цикловой синхронизации, но уменьшает пропускную спо­собность ЦСП.

Отметим основные отличительные признаки синхросигнала и способы ввода его в групповой сигнал. Основными отличительны­ми особенностями синхросигнала являются его периодичность, или повторяемость, на одних и тех же позициях в каждом цикле и постоянство кодовой комбинации. Эти свойства используются при выделении синхросигнала на приемной станции. Групповой цифровой сигнал каналов в силу случайного характера абонент­ских сигналов свойствами периодичности не обладает. По числу разрядов различают одноразрядные и многоразрядные синхросиг­налы. Многоразрядные синхросигналы различаются по распреде­лению разрядов в цикле передачи: сосредоточенные, рассредото­ченные. На рисунке 1.38 показаны циклы, содержащие одноразряд­ный (рисунок 1.38, а) и многоразрядные (с комбинацией 101) сосре­доточенный (рисунок 1.38, б) и рассредоточенный (рисунок 1.38, в) синхросигналы. Наибольшее распространение в ЦСП получил способ передачи многоразрядного сосредоточенного синхросигнала. Построению систем цикловой синхрониза­ции с использованием передачи сосредоточенного синхросигнала и будет уделено основное внимание.

 

 

 

Рисунок 1.38 Способы передачи циклового синхросигнала.

 

Система цикловой синхронизации предоставляет, собой совокупность устройств, обеспечивающих синхронную рабо­ту соответствующих узлов (разрядных и канальных распределителей) ГО приемной и передающей станций. На пере­дающей станции находится устройство формирования и ввода синхрогруппы в группо­вой цифровой сигнал. Это уст­ройство достаточно просто реализуется и рассматривается при разборе конкретных систем передачи. На приемной станции находится приемник синхросигна­ла, обеспечивающий установку синхронизма после включения, ап­паратуры в работу, контроль за состоянием синхронизма в рабо­чем режиме, обнаружение сбоя синхронизма и его восстановление. Рассматривая принцип построения приемника синхросигнала, схе­ма которого показана на рисунке 1.39, можно выделить следующие основные узлы: опознаватель, анализатор, решающее устройство.

 

Рисунок 1.39 Схема приемника синхросигнала.

Опознаватель синхросигнала предназначен для выделения из группового ИКМ сигнала кодовых комбинаций, совпадающих по структуре с синхросигналом. Анализатор определяет соответствие момента времени прихода истинной синхрогруппы и контрольного сигнала с генераторного оборудования. Решающее устройство определяет состояние синхронизма, момент выхода из синхро­низма, управляет работой соответствующих узлов ГО в режиме поиска синхронизма.

 

 

Рисунок 1.40 График алгоритма поиска синхросигнала.

Алгоритм поиска синхросигнала при нарушении синхронизма показан на рисунке 1.40. Опознаватель, сдвигая каждый раз момент регистрации на один такт, будет пробовать поступающие комби­нации группового сигнала на их соответствие синхрогруппе. Та­ким образом, если за период цикла будет отсутствовать комбина­ция, похожая на синхрогруппу, а это маловероятно, синхросигнал будет найден в течение одного цикла или быстрее. Для подтверж­дения правильности выделения синхросигнала следующая провер­ка наличия синхросигнала будет ровно через цикл. Приемник синхронизации с таким принципом работы называется приемни­ком со скользящим поиском и одноразрядным сдвигом. Развернутая структурная схема такого приемника синхросигнала показана на рисунке 1.41. На схеме штриховой линией выделены опознаватель, анализатор, решающее устройство, генераторное оборудование приема.

Рисунок 1.41 Схема приемника синхросигнала.

Опознаватель синхросигнала может быть построен как регистр сдвига и дешифратор — многовходовая схема совпадения И₁. Анализатор содержит элементы НЕТ и И₂. Появление импульса на выходе И₂ означает совпадение по времени синхросигнала и контрольного импульса от ГО_пр. Появление импульса на выходе схемы НЕТ означает отсутствие синхросигнала в момент появле­ния контрольного импульса от ГО_пр.

Решающее устройство содержит накопитель по выходу из син­хронизма, накопитель по входу в синхронизм, схему И₃. Накопители по входу и выходу из синхронизма выполнены по схеме счетчика со сбросом. Накопитель по выходу из синхронизма необходим для исключения ложного нарушения синхронизма, когда в линейном тракте произошло изменение структуры синхросигнала. Обычно накопитель по выходу из синхросигнала содержит четы­ре - шесть разрядов (на рисунке 1.41накопитель содержит четыре разряда). Это обеспечивает помехозащищенность приемника син­хросигнала от искажений синхрогруппы в линейном тракте пли по другим причинам.

Накопитель по входу в синхронизм обеспечивает защиту при­емника синхросигнала от ложного синхронизма в режиме поиска синхрогруппы, когда на вход опознавателя поступают случайные комбинации группового сигнала, совпадающие с синхросигналом. Обычно накопитель по входу в синхронизм содержит два - три раз­ряда (на рисунке 1.41 накопитель содержит три разряда).

Управление работой ГО производится схемой И₃, которая в режиме поиска синхронизации при поступлении синхросигнала установит в начальное положение разрядный и канальный рас­пределители ГО, определяя тем самым начало их работы.

На выходе схемы И₄ формируется контрольный импульс син­хронизма от ГО_пр. Появление этого импульса по времени должно произойти в определенный канальный интервал, определенный разрядный интервал этого канального интервала, в соответствии с тактовой частотой. Для этого используется схема И с тремя вхо­дами.

Рассмотрим работу схемы приемника синхросигнала. В режи­ме синхронизма накопитель по входу в синхронизм заполнен, а накопитель по выходу из синхронизма пустой. Синхросигнал и контрольный сигнал от ГО_пр одновременно поступающие на схему И₂ держат накопитель по входу в синхронизм заполненным. Случайные кодовые комбинации группового сигнала, аналогичные по структуре с синхрогруппой, не совпадают по времени с контрольным сигналом от ГО_пр, и не будут влиять на работу приемника синхросигнала в режиме синхронизма.

При отсутствии синхросигнала из-за воздействия помех или других причин контрольный сигнал от ГО_пр пройдет через схему НЕТ на вход накопителя по выходу из синхронизма. Если эти нарушения кратковременные (один - три цикла подряд для дан­ной схемы), то следующий синхросигнал, совпадающий с сигналом от ГО_пр, запишет 1 в накопитесь по входу в синхронизм. Так как накопитель по входу в синхронизм заполнен, это приведет к установке в нулевое состояние первых трех разрядов накопителя по выходу из синхронизма. Таким образом, кратковременные ис­кажения синхросигнала не нарушат работуГО.

При длительном нарушении синхронизма (синхросигнал отсут­ствует четыре цикла подряд) накопитель по выходу из синхронизмa будет заполнен, при этом на его выходе появится 1, что позволит начать поиск синхронизма. Теперь первый же импульс от опознавателя при появлении синхросигнала пройдет через схему И₃ и установит 0 в последнем разряде накопителя по выходу из синхронизма, во всех разрядах накопителя по входу в синхро­низм, а также установит в начальное положение разрядный и ка­нальный распределители ГО_пр. Следующее опознавание синхро­сигнала будет произведено ровно через цикл. Если синхросигнал выделен верно, то через цикл произойдет совпадение очередного синхросигнала и контрольного сигнала от ГО_пр. В данном случае в накопитель по входу в синхронизм поступает 1. Когда это про­изойдет 3 раза подряд, накопитель по входу в синхронизм запол­нится и установит 0 в первых трех разрядах накопителя по выхо­ду из синхронизма (в четвертом разряде 0 уже установлен сиг­налом со схемы И₃). Трехкратное совпадение синхросигнала и контрольного сигнала от ГО_пр подтверждает установление син­хронного режима работы.

Возможно, но маловероятно, что в режиме поиска будет выде­лена опознавателем случайная кодовая комбинация, совпадающая с синхросигналом. В этом случае сигнал от опознавателя пройдет схему И₃ и также установит в начальное положение разрядный и канальный делители. Следующее опознавание синхросигнала произойдет через цикл. Так как кодовые комбинации группового сигнала носят случайный характер, то через цикл синхросигнал выделен не будет. В накопитель по выходу из синхронизма посту­пит 1, а он уже заполнен, и опять начнется поиск синхросигнала. Процесс будет повторяться, пока не будет выделен настоящий синхросигнал.

Разберем причины вызывающие сбой цикловой синхрониза­ции. Основными из них являются выход из синхронизма по такто­вой частоте, что приводит к изменению длительности цикла, так как в цикле появятся или пропадут один или несколько тактовых интервалов, и искажение символов синхросигнала в резуль­тате воздействия помех. Главным источником этих сбоев является линейный тракт. На временных диаграммах рисунок 1.42показано возникновение сбоев синхронизации, вызванных различными причинами. На временной диаграмме 1 условно показан групповой сигнал, содержащий несколько циклов. Каждый цикл содержит 256 информационных символов. Синхросигнал имеет кодовую группу 111. На временных диаграммах 2 и 3 показаны импульсы от опознавателя и контрольные импульсы от ГО_пр.

Сбой синхронизма при искажении символа синхрогруппы по­казан на рисунке 1.42, а. Из временных диаграмм 2 и 3 видно, что цикловая синхронизация не нарушена и подстройку ГО_пр произ­водить не требуется. Сбой синхронизма при изменении длитель­ности цикла показан на рисунке 1.42, б. В данном случае восстанов­ление синхронизма возможно только при подстройке ГО_пр.

 

Рисунок 1.42 Временные диаграммы возникновения сбоев синхронизации.

Из приведенных выше примеров можно сделать вывод, что в первом случае защиту приемника синхронизации от сбоя обеспе­чивает накопитель по выходу из синхронизма, тогда как во втором случае желательно начинать поиск синхросигнала по первому его пропаданию. В этом случае накопитель по выходу из синхронизма будет увеличивать время восстановления синхронизма. Время вос­становления синхронизма является одним из основных параметров ЦСП. Допустимое время восстановления синхронизма определя­ется свойствами передаваемой информации.

При использовании цифровых систем для организации соеди­нительных линий между АТС время восстановления синхронизма ограничивается несколькими миллисекундами. При передаче те­лефонных сообщении абонент практически не заметит перерыва связи в несколько десятков миллисекунд, однако при сбое синхро­низации нарушается работа каналов передачи СУВ, что может привести к разъединению абонентов. Допустимое время пропадания каналов передачи СУВ, которое не отражается на работе приборов АТС и оп­ределяет допустимое время восстановления синхрониз­ма, обычно составляет око­ло 2мс. Для ЦСП более вы­сокого порядка это время очень ограничено. Графичес­ки время восстановления синхронизма t_в показано на рисунке 1.43. Оно состоит из времени накопления по вы­ходу из синхронизма t_н.вых, времени поиска синхросигнала t_п, времени накопления по входу в синхронизм t_н.вх.

Рисунок 1.43 График времени восстановления синхронизма.

Недостатки рассмотренного способа построения приемника ци­клового синхросигнала определяются тем, что значение емкости накопителей по выходу из синхронизма и по входу в синхронизм фиксированы, а поиск синхронизации начинается только после времени накопления по выходу из синхронизма. Уменьшение вре­мени восстановления синхронизма за счет сокращения времени накопления ведет к резкому уменьшению помехоустойчивости систем цикловой синхронизации. Это можно компенсировать уве­личением разрядов в синхросигнале, но увеличение разрядов в синхросигнале ограничивается возможностями построения цикла передачи и применением специальных адаптивных приемников синхросигнала.

 

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: