Синхронизация цифровых систем связи по сигналам спутниковых радионавигационных систем

Большинство современных цифровых систем радиосвязи имеют несколько систем синхронизации, которые располагаются на приемной части радиосистемы. Среди них выделяют:

• системы синхронизации по несущей частоте (ССН);
• системы тактовой синхронизации (СТС);
• системы словной синхронизации (ССС);
• системы кадровой синхронизации (СКС).

В первую очередь выполняется синхронизация по несущей частоте, затем по тактовой частоте, по словной частоте и по кадровой частоте.

Для каждой системы синхронизации выделяют два режима работы: режим вхождения в синхронизм (режим поиска); режим слежения. В режиме вхождения в синхронизм осуществляется поиск и обнаружение сигнала, грубая оценка его неизвестных параметров. После чего система захватывает сигнал и переходит в режим слежения, в котором осуществляется точная оценка неизвестных параметров принимаемого сигнала. Переход в синхронный режим может осуществляться при помощи информации, передаваемой в начале сеанса связи или по самому информационному сигналу. Таким образом, эффективность передачи полезных данных снижается из-за затрат на передачу данных, необходимых только для синхронизации и необходимого времени для поиска сигнала и перехода в режим слежения всех систем синхронизации приемника [1]. В связи с этим не теряют актуальности вопросы повышения эффективности работы систем синхронизации.

Одним из методов синхронизации передающего и приемного устройств является принудительная синхронизация с использованием всемирного точного времени [2]. В этом случае метки точного времени на концах линии передачи данных формируются, например, при помощи приемников глобальных спутниковых радионавигационных систем (СРНС) ГЛОНАСС/GPS/Galileo. Современные приемные устройства СРНС способны синхронизировать временные шкалы пользователя с погрешностью в десятки наносекунд и лучше, что позволяет использовать их для синхронизации цифровых систем связи по несущей частоте.

Навигационные приемники передающей и приемной части системы связи служат для определения координат местоположения устройств и синхронизации шкал времени. Определение координат местоположения устройств позволяет вычислить расстояние между передатчиком и приемником системы связи, рассчитать и учесть задержку на распространение сигнала (другим способом определения этой задержки является способ автоматической калибровки, когда передатчик излучает в определенные моменты времени сигнал-маркер, а приемник производит оценку задержки этого сигнала по всемирной шкале времени).

Кроме того, при связи с движущимися объектами, приемник СРНС выдает данные о векторе скорости объекта, что позволяет учесть в системе синхронизации эффект Доплера.

Отличительными особенностями предлагаемого варианта синхронизации являются:

• реализация синхронизации цифровых систем связи по несущей частоте;
• создание возможности построения систем связи без каких-либо дополнительных петель синхронизации;
• реализация возможности использования шкалы всемирного времени для синхронной смены параметров программно-определяемых систем связи.

Использование приемников СРНС для синхронизации шкал времени передатчика и приемника позволяет обеспечить синхронизацию с определенной погрешностью. В общем случае ухудшение работы системы передачи данных, вызванное ошибками синхронизации, зависит от выбранного вида модуляции. Для определения степени влияния ошибок синхронизации шкал времени приемника и передатчика цифровой системы связи были реализованы соответствующие модели в программе Simulink [3].

Сформированный сигнал поступает в канал (рисунки 5 и 6), в котором осуществляется моделирование следующих явлений:

• воздействия аддитивного белого гауссова шума;
• частотного и фазового сдвига сигнала вследствие эффекта Доплера и рассогласования шкал времени приемника и передатчика;
• дробной задержки в канале связи;
• замираний сигнала.

Приемная часть системы в базовом виде содержит петлю восстановления несущего колебания (петля с возведением сигнала в квадрат, синфазно-квадратурная петля и др.) и петлю восстановления тактовых импульсов (например, петля Гарднера)

Для моделирования принудительной синхронизации передатчика и приемника из приемной части системы связи удаляются петля слежения за фазой и частотой сигнала и петля восстановления тактовых импульсов что значительно упрощает структуру приемника.

Перейдем к результатам моделирования.

На рисунке 11 показаны зависимости вероятности символьной ошибки от отношения сигнал/шум для квадратурной амплитудной манипуляции (КАМ16) при различных сдвигах временных шкал передатчика и приемника (с условием полной компенсации задержки на распространение сигнала). Задержка в канале носит случайный характер с равномерным распределением. Данные зависимости были получены в ходе моделирования и соответствуют теоретическим выкладкам

Таким образом, при ошибке синхронизации до ±10 нс возможна передача данных с периодом следования символов 80 нс. Потери в этом случае составят 3 дБ для вероятности символьной ошибки 10^-5 Увеличение периода следования символов при той же вероятности символьной ошибки в два раза (160 нс) уменьшит потери до 1 дБ (зависимость 2 на рисунке 11), а уменьшение периода следования символов в два раза (40 нс) увеличит потери до 7 дБ

Для тактирования гетеродинов (петель ФАПЧ) преобразователей частоты передатчика и приемника предполагается использование опорной частоты 10 МГц навигационных приемников. При этом возникает ряд проблем, которые приводят к фазовому рассогласованию при приеме сигнала и, как следствие, к повороту сигнального созвездия, что приводит к повышению вероятности ошибки.

Двухканальный генератор прямоугольных импульсов формирует опорные колебания для тактирования БЦОС и гетеродинов приемника и передатчика. Использование одного двухканального генератора позволяет формировать два опорных колебания с известным фазовым и частотным рассогласованием. Приемник и передатчик цифровой системы связи работают в штатном режиме, сигнал с выхода преобразователя частоты поступает на двухканальный осциллограф для отображения траектории вектора комплексной огибающей сигнала. Синхронизация сетей связи

Точный счет времени — залог безопасности и надежности работы как небольших локальных, так и крупнейших межнациональных цифровых сетей. В основе лежит тактовая синхронизация — выделение сигнала синхронизации из структуры информационного сигнала. Это обеспечивается за счет использования специального оборудования: стандартов частоты, первичных и вторичных генераторов, интеллектуальных систем синхронизации генераторов и других приборов. Оборудование объединяется в систему тактовой сетевой синхронизации (ТСС). Системы ТСС представляют собой сложные многоуровневые структуры, залогом бесперебойной работы которых является использование надежного и качественного оборудования.

Первичный эталонный генератор ПЭГ формирует эталонные тактовые последовательности, в сооответствие с которыми синхронизируется все оборудование узла связи. Первичный генератор может работать как в синхронизации с высшими по иерархии источниками, так и полностью автономно. Как правило, генератор принимает сигналы от радио или спутниковых источников и выполняет их фильтрацию.