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.
 
Предлагается следующая структурная схема синхронизации передающего и приемного устройств по сигналам спутниковых навигационных систем (рисунок 1).
Синхронизированная система связи
Рисунок 1 – Структурная схема синрохнизированной системы связи
 
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].
 
Общий вид модели приемопередающего устройства в Simulink показан на рисунке 2.
Модель приемопередатчика в Simulink
Рисунок 2 – Модель приемопередатчика в Simulink
 
 
Данные для формирователя комплексной огибающей сигнала (рисунок 3 и 4) формируются генератором случайных чисел (рисунок 2, Random Integer Generator). 
Формирователь комплексной огибающей
Рисунок 3 – Формирователь комплексной огибающей сигнала
 
Формирователь комплексной огибающей в Simulink
Рисунок 4 – Формирователь комплексной огибающей сигнала в Simulink
 
 
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.
Моделирование канала связи
Рисунок 5 – Моделирование канала связи
 
Модель канала связи в Simulink
Рисунок 6 – Модель канала связи в Simulink 
(без моделирования замираний)
 
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) (рисунок 7).
Модель приемника в Simulink
Рисунок 7 – Модель приемника в Simulink с петлями синхронизации
по несущей и по символьной частоте
 
Демодуляция принятого сигнала осуществляется по результатам расчета метрик (рисунок 8).
Расчет метрик
Рисунок 8 – Расчет метрик и демодуляция сигнала
 
На рисунке 9 показана модель демодулятора (рисунок 8) в Simulink.
Модель демодулятора в Simulink
Рисунок 9 – Расчет метрик и демодуляция сигнала в Simulink
 
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 (рисунок 10), что значительно упрощает структуру приемника.
Модель приемника в Simulink без петель синхронизации
Рисунок 10 – Модель приемника в Simulink без петель синхронизации
 
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 [4].
Результаты моделирования
Рисунок 11 – Зависимости вероятности символьной ошибки от отношения сигнал/шум 
при различном сдвиге временных шкал передатчика и приемника для модуляции КАМ16: 
1 – ±ΔT = 0;        2 – ±ΔT = Ts/16;       3 – ±ΔT = Ts/8;       4 – ±ΔT = Ts/5;
5 – ±ΔT = Ts/4;       6 – ±ΔT = Ts/3;       7 – ±ΔT = Ts/2 
 
На рисунке 12 приведена экспериментально полученная зависимость разности временных шкал приемников навигационной системы ГЛОНАСС, находящихся на расстоянии 5 км.
Разность временных шкал навигационных приемников
Рисунок 12 – Разность временных шкал двух навигационных приемников ГЛОНАСС
за период времени ~11 часов
 
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 (зависимость 3 на рисунке 11). 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 (зависимость 4 на рисунке 11).
 
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. На рисунке 13 показаны графики зависимостей вероятности символьной ошибки от отношения сигнал/шум при различных дисперсиях фазового шума, распределенного по нормальному закону. При этом ошибка смещения шкал времени лежит в диапазоне ±ΔT = Ts/4. 
Результаты моделирования
Рисунок 13 – Зависимости вероятностей символьной ошибки от отношения сигнал/шум
при различных значениях дисперсии фазового шума
и ошибке смещения шкал времени ±ΔT = Ts/4 для модуляции КАМ16:
1 – σ2 = 0;    2 – σ2 = π/8;    3 – σ2 = π/4;    4 – σ2 = π/2;    5 – σ2 = π
 
Как видно из рисунка 13, одновременная ошибка синхронизации шкал времени и фазовая ошибка приводят к заметному ухудшению работы системы связи. Поэтому в каждом конкретном случае реализации системы связи необходимо учитывать все ошибки синхронизации единовременно и в случае необходимости применять дополнительные меры для их компенсации.
 
Для подтверждения результатов теоретических расчетов и моделирования был поставлен эксперимент. На рисунке 14 показана структурная схема экспериментальной установки.
Экспериментальная установка
Рисунок 14 – Структурная схема экспериментальной установки
 
Двухканальный генератор прямоугольных импульсов (рисунок 14) 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.
 
На рисунке 15 показана глазковая диаграмма одной из квадратурных составляющих принимаемого сигнала при тактировании передатчика и приемника от одного источника тактовых импульсов. 
Глазковая диаграмма
Рисунок 15 – Глазковая диаграмма одной из квадратурных составляющих приемного тракта
 
Заключение
 
В ходе проведенных испытаний была подтверждена возможность использования радионавигационных систем для синхронизации цифровых систем связи. Анализ полученных в ходе эксперимента данных показал необходимость контролирования начальной фазы синтезатора частот гетеродина. Вследствие асинхронной инициализации синтезаторов частот передатчика и приемника возникает фазовый сдвиг между несущими колебаниями, который приводит к повороту созвездия. Устранить данный фазовый сдвиг можно двумя способами: синхронной синфазной инициализацией синтезаторов частот гетеродинов передатчика и приемника или введением в приемный тракт петли фазовой синхронизации.
 
Синхронизация устройств цифровой связи с использованием приемников СРНС позволяет упростить структуру приемника и значительно сократить затраты на синхронизацию приемного устройства. Работа подобного  устройства принудительной синхронизации не зависит от мощности шума на входе приемника, что позволяет исключить зависимость вероятности ошибки от соотношения сигнал/шум, характерную для классических систем синхронизации. В случае, когда полное исключение систем синхронизации невозможно, комплексирование системы связи с навигационной системой позволяет:
  • адаптивно изменять параметры петель синхронизации для более быстрого перехода в режим слежения; 
  • использовать упрощенные системы синхронизации; 
  • использовать шкалу абсолютного времени для синхронной смены основных параметров радиосистемы (модуляции, кодирования, шифрования и др).
На рисунке 16 показаны условия по необходимому отношению сигнал/шум на входе приемника и относительной ошибке синхронизации временных шкал приемника и передатчика для поддержания вероятности символьной ошибки на заданном уровне (10-3, 10-4 и 10-5 для   модуляции КАМ16).
Результаты моделирования
Рисунок 16 – Необходимые условия по относительной ошибке синхронизации временных шкал
приемника и передатчика и отношения сигнал/шум для поддержания вероятности
символьной ошибки на заданном уровне (модуляция КАМ16)
 
В таблицу 1 сведены потери в канале связи для различных скоростей передачи данных при ошибке синхронизации временных шкал 20 нс (рисунок 12) для модуляции КАМ16 и заданной вероятности символьной ошибки 10-5.
 
Таблица 1 – Потери в канале связи, вызванные
относительной ошибкой синхронизации временных шкал приемника и передатчика
Скорость передачи данных, МБод Потери, дБ
3,125 1
6,25 3
10 7

Передача с заданной вероятностью символьной ошибки и с более высокой скоростью невозможна

-

Как видно из таблицы 1, современные радионавигационные системы способны обеспечить синхронность работы высокоскоростных цифровых систем передачи данных при приемлемом уровне потерь.

 

Список использованных источников

[1] Скляр, Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. / Б. Скляр. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. – 1104 c.
[2] Прокис, Д. Цифровая связь / Д. Прокис. – М.: Радио и связь, 2000. – 800 c.
[4] Mengali, U. Synchronization Techniques for Digital Receivers / U. Mengali, N. D'Andrea. – New York: Plenum Press, 1997. – 524 c.

 



Боев Никита