9.2. МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА СИНХРОНИЗАЦИИ ПО ЭЛЕМЕНТАМ

Требования к устройствам синхронизации по элементам.

К устройствам синхронизации по элементам предъявляются следующие требования:

1. Высокая точность синхронизации. Допустимое относительное отклонение синхроимпульсов (тактовых импульсов) от моментов, соответствующих идеальной синхронизации,

2. Малое время вхождения в синхронизм как при первоначальном включении, так и после перерыва связи.

3. Сохранение синхронизма при наличии помех и кратковременных перерывов связи.

4. Независимость точности синхронизации от статической структуры передаваемого сообщения.

Указанные требования противоречивы. Однако путем выбора рациональной структуры сигналов и выбора оптимальных параметров устройств синхронизации можно обеспечить требуемую точность синхронизации.

Рис. 9.4. Структурная схема резонансного устройства поэлементной синхронизации

Методы синхронизации по элементам. Классификация методов синхронизации.

Поэлементная синхронизация может быть обеспечена за счет использования автономного источника — хранителя эталона времени и методов принудительной синхронизации. Первый способ применяется лишь в тех случаях, когда время сеанса связи, включая время вхождения в связь, не превышает время сохранения синхронизации. В качестве автономного источника можно использовать местный генератор с высокой стабильностью.

Методы принудительной синхронизации могут быть основаны на использовании отдельного канала (по которому передаются импульсы, необходимые для подстройки местного генератора) или рабочей (информационной) последовательности. Использование первого метода требует снижения пропускной способности рабочего канала за счет выделения дополнительного синхроканала. Поэтому на практике чаще всего используется второй метод.

По способу формирования тактовых импульсов устройства синхронизации с принудительной синхронизацией подразделяются на разомкнутые (без обратной связи) и замкнутые (с обратной связью).

Разомкнутые устройства поэлементной синхронизации.

В разомкнутых (резонансных) устройствах синхронизации (рис. 9.4) синхросигналы (тактовые импульсы) выделяются непосредственно из инофрмационной последовательности элементов (рис. 9.5, а).

Формирование синхроимпульсов обеспечивается на основе выделения из принятой последовательности элементов сигнала с частотой элементов (ЗМ) с помощью высокоизбирательных резонансных контуров с частотой настройки Для формирования частоты используют нелинейные преобразователи сигнала. На рис. 9.4 приведена структурная схема резонансного устройства синхронизации, а на рис. 9 5 временная диаграмма его работы.

Сигналы информационной последовательности (рис. 9.5, а) поступают на формирователь импульсов, соответствующих фронтам единичных элементов (рис. 9.5,б). Импульсы, соответствующие ЗМ, поступают на расширитель импульсов (одновибратор), который формирует сигналы длительностью (рис. 9.5, а). С помощью узкополосного фильтра выделяется гармоническое колебание с частотой которое усиливается и ограничивается усилителем - ограничителем устройства.

Рис. 9.5 Временная диаграмма работы резонансного устройства поэлементной синхронизации

Формирователь фронтов выделяет из полученных сигналов две серии импульсов (рис. 9.5, е, ж), совпадающих с началами с серединами единичных элементов.

В резонансных устройствах синхронизации основным узлом является резонансный узкополосный фильтр — колебательный контур. Каждый импульс (рис. 9.5, в), действующий на входе контура, вызывает на его выходе затухающее гармоническое колебание с частотой Амплитуда напряжения на выходе контура зависит от частоты следования этих импульсов (рис. 9.5, г), т. е. от статистической структуры передаваемой последовательности. Наибольшее напряжение возникает при приеме последовательности вида Случайные краевые искажения усредняются контуром. Период колебаний в контуре может рассматриваться как случайная величина с математическим ожиданием и дисперсией , где о — среднеквадратическое отклонение краевых искажений; Q — добротность фильтра. Прекращение поступления импульсов на входе контура при перерывах вызовет процесс затухания колебаний на его выходе. Если импульсы действуют с интервалами, которые меньше времени затухания колебаний контура, то амплитуда на его выходе растет до установившегося значения.

Время вхождения в синхронизм в резонансных системах при приеме комбинаций вида составляет при приеме текста Если через время импульсы на контур не поступят, то колебания на его выходе затухнут полностью, что приведет к прекращению работы аппаратуры в целом. С увеличением Q увеличивается точность синхронизации, девиация фазы синхроимпульсов при этом уменьшается. С другой стороны, увеличение Q приводит к росту времени синхронизации. Величина Q для разомкнутых систем берется равной . При

Рис. 9.6 Структурная схема замкнутого устройства синхронизации

К достоинствам резонансных систем следует отнести простоту реализации,

К недостаткам — сильную зависимость точности синхронизации от статистической структуры текста и искажений единичных элементов, нарушение синхронизма при кратковременных перерывах связи.

В настоящее время для уменьшения влияния статистической структуры текста на точность и время поддержания синхронизма используют скремблирование. При этом на передаваемую последовательность накладывают (заранее известную) псевдослучайную последовательность, а на приеме осуществляют вычитание данной последовательности из принятого сигнала. Устройства синхронизации такого типа находят применение в высокоскоростных системах передачи дискретных сообщений.

Замкнутые устройства поэлементной синхронизации.

Замкнутые устройства синхронизации широко используются в низко- и среднескоростных системах связи.

Замкнутые устройства синхронизации разделяются на два подкласса: с непосредственным воздействием на задающий генератор синхроимпульсов и с косвенным воздействием.

Упрощенная структурная схема замкнутого устройства синхронизации изображена на рис. 9.6.

В фазовом дискриминаторе ФД осуществляется сравнение по фазе значащих моментов ЗМ принимаемого сигнала с тактовыми импульсами (ТИ), вырабатываемыми ЗГ. При расхождении по фазе вырабатывается управляющий сигнал, меняющий частоту ЗГ. При этом если ТИ появляются позже ЗМ (ЗГ «отстает»), то частота ЗГ увеличивается. Если ТИ появляются раньше ЗМ (ЗГ «спешит»), то частота ЗГ уменьшается.

Устройства синхронизации с непосредственным воздействием на частоту генераторов по способу управления делятся на две группы: устройства с дискретным (релейным) управлением, в которых управляющее устройство дискретно изменяет управляющий сигнал время от времени.

Рис. 9.7. Структурная схема устройства синхронизации с дискретным управлением

Рис. 9.8. Временная диаграмма работы устройства синхронизации с дискретным управлением

В интервалах между подстройками управляющий сигнал остается постоянным и зависит от величины расхождения по фазе;

устройства с непрерывным (плавным) управлением, в которых управляющее устройство непрерывно воздействует на генератор синхроимпульсов, а управляющий сигнал пропорционален величине расхождения фаз.

Структурная схема устройства синхронизации с дискретным управлением приведена на рис. 9.7, а его временная диаграмма — на рис. 9.8. На фазовый дискриминатор, содержащий формирователь фронтов ФФ, инвертор и логические схемы поступают одновременно два сигнала: информационные сигналы в виде ЗМ и тактовые импульсы. Задающий генератор с помощью преобразователя сигнала, который преобразует гармонический сигнал с выхода генератора в прямоугольный сигнал, вырабатывает серию тактовых импульсов (рис. 9.8,в). С помощью инвертора дискриминатора формируется другая серия (рис. 9.8,г), сдвинутая на 180° относительно серии b. С помощью двух схем определяется положение ТИ относительно ЗМ, принимаемого сигнала. Если колебания задающего (тактового) генератора отстают по фазе от принимаемого сигнала (рис. 9.8,г) по ТИ пройдут на выход схемы совпадения Если колебания опережают по фазе, то ТИ пройдут на выход схемы Управляющее устройство УУ реагирует на сигналы с выхода ФД и с помощью реле осуществляет управление частотой синхрогенератора. В зависимости от того, «спешит» тактовый генератор или «отстает», с помощью контактов реле к колебательному контуру генератора подключается конденсатор Q или индуктивность . При этом частота генератора будет меньше либо больше номинальной тактовой частоты . В этом случае управление частотой будет непосредственным и ступенчатым.

На рис. 9.9, а приведена зависимость частоты генератора от величины расхождения фаз, а на рис. 9.9, б показаны изменения частоты во времени.

Рис. 9.9. Характеристики системы синхронизации с двухпозиционным управляющим устройством

С учетом нестабильностей генераторов передатчика и приемника девиация частоты выбирается равной где k — нестабильность генератора.

По способу управления различают устройства синхронизации с двух- и трехпозиционными УУ. Приведенная на рис. 9.7 схема устройства синхронизации относится к схемам с двухпозиционным УУ.

Основной недостаток устройств синхронизации с двухпозиционным УУ состоит в том, что во время передачи сигналов одного вида либо при перерыве связи расхождение по фазе будет расти, так как частота генератора всегда отличается на от номинальной частоты . В системах синхронизации с трехпозиционным УУ генератор кроме частот и вырабатывает среднюю частоту которая выбирается равной Это позволяет исключить ложную подстройку частоты во время перерыва связи. Расхождение по фазе при обрыве будет определяться лишь нестабильностью частот генераторов передатчика и приемника. Характеристики системы синхронизации с трехпозиционным УУ приведены на рис. 9.10.

Рис. 9.10 Характеристики системы синхронизации с трехпозиционным управляющим устройством: а — зависимость частоты от расхождения фаз, б — изменение частоты и фазы по времени

Рис. 9.11. Характеристики системы синхронизации с непрерывным (плавным) воздействием на генератор

Особенность устройства синхронизации с непрерывным (плавным) воздействием на генератор синхроимпульсов состоит в том, что зависимость изменения частоты от расхождения фаз во времени будет иметь плавный характер (рис. 9.11,б). Для управления частотой генератора используют управляемый реактивный элемент (варикап). Благодаря плавному изменению частоты и фазы можно добиться более высокой точности поддержания син-фазности, чем при дискретном управлении.

Отметим достоинства и недостатки замкнутых устройств синхронизации с непосредственным воздействием на частоту генератора приемника. Достоинством таких устройств синхронизации является относительная простота реализации, особенно на высоких скоростях работы. К недостаткам следует отнести: небольшую точность синхронизации; трудность обеспечения высокой стабильности вследствие паразитных связей, возникающих за счет подключения к контуру генератора реактивного элемента; выход из синхронизма системы при перерыве связи или при отсутствии ЗМ в принимаемой из канала последовательности, что может иметь место при передаче последовательности из одних нулей (единиц).

В устройствах синхронизации с косвенным управлением фаза подстраивается в промежуточном преобразователе ПП (рис. 9.12), через который проходят импульсы от ЗГ. Устройства синхронизации без непосредственного воздействия делятся на два вида:

Рис. 9.12. Структурная схема устройства синхронизации с косвенным управлением частоты генератора

Рис. 9.13 Структурная схема устройства синхронизации, использующего делитель частоты с переменным коэффициентом деления

Рис. 9.14. Временная диаграмма работы устройства поэлементной синхронизации с делителем с переменным коэффициентом деления частоты

устройства, в которых промежуточное устройство представляет собой делитель частоты с переменным коэффициентом деления частоты;

устройства, в которых в процессе корректировки фазы производится добавление или вычитание импульсов на входе делителя частоты.

На рис. 9.13 приведена структурная схема устройства синхронизации, использующего делитель частоты с переменным коэффициентом деления. Фазовый дискриминатор устройства производит сравнение временного положения ЗМ и вырабатываемых ТИ. На выходе появляются два сигнала управления, соответствующие опережению или отставанию тактовых импульсов от ЗМ информационного сигнала. В процессе корректирования фазы возможны только два состояния устройства: первое, когда ТИ приемника смещены вправо относительно ЗМ, т. е. приемник «отстает»; второе, когда ТИ смещены влево относительно поступающих ЗМ, т. е. приемник «спешит».

Изменяя коэффициенты деления частоты производим изменение частоты импульсов на выходе делителя. При этом происходит сдвиг ТИ на величину относительно ЗМ (рис. 9.14) как влево при так и вправо при где .

Рассмотренное устройство синхронизации можно отнести к устройствам с двухпозиционным управлением.

Устройства синхронизации без непосредственного воздействия на генератор с добавлением и вычитанием импульсов на входе частоты относятся к трехпозиционным (рис. 9.15). Здесь возможны три случая: импульсы от генератора без изменения проходят на вход делителя частоты ДЧ; к последовательности импульсов, поступающих от генератора добавляется один импульс; то же, исключается один импульс. Процесс изменения фазы тактовых импульсов можно пояснить с помощью рис. 9.16.

Генератор вырабатывает колебание частотой раз больше тактовой частоты (так как коэффициенты деления делителей на рис. 9.15 соответственно равны 2 и ). Фазовый дискриминатор, в состав которого входит формирователь фронтов ФФ, определяет величину расхождения по фазе ЗМ и ТИ генератора.

Рис. 9.15. Структурная схема устройства синхронизации с добавлением и вычитанием импульсов на входе делителя частоты

Рис. 9.16. К принципу изменения фазы в процессе деления частоты а — нормальный процесс деления , б — добавление импульса, в — исключение импульса

Если частота генератора приемника больше частоты генератора передатчика (приемник «спешит»), то на входе схемы появится управляющий сигнал, который, пройдя реверсивный счетчик (усредняющее устройство), запретит прохождение одного импульса от ЗГ, в результате чего тактовая последовательность на выходе делителя сдвинется в сторону отставания на Исключение такта (запрет) происходит с помощью схемы запрета НЕТ. Если приемник «отстает», то сигнал управления появится на выходе схемы что приводит к появлению дополнительного импульса на выходе схемы ИЛИ. В результате тактовая последовательность на выходе делителя сдвинется в сторону опережения на При пропадании входного сигнала положение тактовой последовательности на выходе делителя обусловлено лишь значением коэффициента деления и стабильностью ЗГ.

Выше рассматривалась ситуация, когда опережение или отставание ТИ выявлялось при отсутствии краевых искажений. В реальных условиях ЗМ принимаемых информационных сигналов искажены. Эти искажения приводят к тому, что устройство синхронизации может произвести ложную подстройку частоты, что приведет к снижению точности синхронизации. Учитывая случайность смещений краевых искажений, можно полагать, что смещения ЗМ в стороны опережения и отставания равновероятны. Поэтому влияние этих искажений на точность синхронизации можно уменьшить, включив между ФД и УУ усредняющее устройство (инерционный элемент или интегратор). Обычно для этой цели используют реверсивный счетчик PC, представляющий собой элемент задержки управляющих сигналов не менее, чем на S тактов, где S — емкость PC. При поступлении на один из входов подряд S импульсов на выходе PC появится управляющий сигнал. Если же в процессе синхронизации на левый вход PC поступит импульс, а затем на правый вход также поступит импульс, то счетчик возвращается в исходное состояние. Ясно, что включение PC приводит к увеличению времени вхождения в синхронизм. Ложное корректирование фазы может произойти лишь в том случае, когда в S подряд принимаемых информационных элементах ЗМ смещены влево или вправо относительно идеального положения. Такое событие маловероятно.