Основы передачи дискретных сообщений    

Практическое занятие

назад

 


ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ
“СИНХРОНИЗАЦИЯ В СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНЫХ СООБЩЕНИЙ”

ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ

Приобретение навыков расчета устройств поэлементной синхронизации.

СОДЕРЖАНИЕ ЗАНЯТИЯ

Изучение принципов работы разомкнутых и замкнутых устройств синхронизации.
Расчет параметров замкнутого устройства синхронизации с дискретным управлением.
Оценка влияния погрешности синхронизации на верность приема единичного элемента.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКЕ

В процессе подготовки к занятию студент должен усвоить материал, включающий в себя:

- назначение, классификацию и принципы работы разомкнутых и замкнутых устройств синхронизации;
- основные характеристики устройств синхронизации и порядок их расчета;
- влияние погрешности синхронизации на верность приема единичного элемента.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1. В чем сущность поэлементной и групповой синхронизации ?
  2. Объясните причины, вызывающие необходимость использования в системах передачи дискретных сообщений устройств поэлементной синхронизации.
  3. Поясните принцип работы, достоинства и недостатки резонансного устройства синхронизации.
  4. Поясните принцип работы, достоинства и недостатки замкнутых устройств синхронизации по сравнению с разомкнутыми.
  5. Каковы преимущества устройства синхронизации без непосредственного воздействия на частоту задающего генератора по сравнению с устройством с непосредственным воздействием ?
  6. Какими параметрами характеризуется устройство синхронизации?
  7. Объясните методику расчета параметров устройства синхронизации без непосредственного воздействия на частоту генератора.
  8. Как объяснить влияние погрешности синхронизации на верность приема единичного элемента ?
  9. Как рассчитать влияние погрешности синхронизации на верность приема единичного элемента ?

ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА

  1. ГОСТ 17657-79. Передача данных. Термины и определения.
  2. Передача дискретных сообщений. Учебник для вузов. /В.П. Шувалов, Н.В. Захарченко, В.О. Шварцман и др. ; Под ред. В.П. Шувалова - М.: Радио и связь, - 1990, -464 с.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

    1. Васильев В. Н., Буркин А. Г. Свириденко В. А.. Системы связи. Учебное пособие для втузов. - М.: Высш. шк., 1987. -280 с.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ ПО ТЕМЕ: “СИНХРОНИЗАЦИЯ В СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНЫХ СООБЩЕНИЙ”

Общие положения

Рассмотрим структурную схему системы передачи дискретных сообщений (рис. 1). Кодер предназначен для преобразования символов передаваемого сообщения в соответствующую пятиэлементную кодовую комбинацию, состоящую из отдельных единичных элементов (рис. 2, диаграмма 1). В устройстве преобразования сигналов (УПС) на передающей стороне осуществляется преобразование единичных элементов кодовой комбинации к такому виду, при котором передача единичных элементов по каналу связи происходит с малыми потерями энергии. Этот процесс преобразования называется модуляцией. В УПС приемной стороны происходит обратное преобразование модулированных сигналов в исходные единичные элементы (демодуляция). Декодер преобразует принятые кодовые комбинации в символы сообщения.

Рис.1. Структурная схема системы передачи дискретных сообщений.

Рис. 2. Временные диаграммы, поясняющие назначение устройств синхронизации по элементам и по группам.

Рис.3 Структурная схема системы передачи дискретных сообщений

Как следует из принципа работы оптимальных приемных устройств, для обеспечения максимальной помехоустойчивости приемник должен “знать” границы принимаемых единичных элементов. В свою очередь декодер для правильного декодирования должен “знать” границы принимаемых кодовых комбинаций. То есть в приемнике должны существовать два рода последовательностей служебных сигналов (синхросигналов): синхросигналы, отмечающие начало и конец принимаемых единичных элементов, и синхросигналы, отмечающие границы между кодовыми комбинациями (рис. 2., диаграммы 2,3). Таким образом, между передающей и приемной сторонами должно существовать два рода соответствия: по элементам и по кодовым комбинациям. Процесс установления соответствия между значащими моментами единичных элементов на передаче и приеме называется синхронизацией по элементам, а процесс установления соответствия между границами кодовых комбинаций на передаче и приеме - синхронизацией по группам [1]. В аппаратуре передачи дискретных сообщений синхронизацию по элементам и по группам осуществляют соответственно устройство синхронизации по элементам и устройство синхронизации по группам. С учетом устройств синхронизации по элементам и по группам структурная схема системы передачи дискретных сообщений будет выглядеть так, как показано на рис. 3. В дальнейшем будем рассматривать только синхронизацию по элементам. Для сокращения будем называть ее просто синхронизацией, а устройства синхронизации по элементам - устройствами синхронизации.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ОСНОВНЫХ ТИПОВ УСТРОЙСТВ СИНХРОНИЗАЦИИ

Существуют две возможности обеспечения приемника синхросигнала: либо передавать сигналы с передающей стороны, либо формировать их на приемной. Первый способ используется редко, так как требует для передачи синхросигналов дополнительного канала связи. Поэтому синхросигналы, как правило, формируются на приемной стороне.

РЕЗОНАНСНЫЕ УСТРОЙСТВА СИНХРОНИЗАЦИИ

Наиболее просто получить синхросигналы на приемной стороне путем выделения из принимаемого сигнала с помощью высокоизбирательного резонансного контура колебания с частотой, равной скорости модуляции (телеграфирования). Выделенное колебание затем легко превратить в синхроимпульсы. Устройства синхронизации, работающие по этому принципу, называются резонансными [2]. Они просты в реализации и нашли применение в некоторых системах передачи дискретных сообщений со скоростью модуляции порядка 10 кБод и выше. Это связано с тем, что на таких скоростях сравнительно просто реализуются резонансные контуры с большой добротностью.

Основной недостаток резонансных устройств синхронизации - исчезновение синхроимпульсов в случае обрыва канала связи или отсутствия смены полярности входного сигнала.

ЗАМКНУТЫЕ УСТРОЙСТВА СИНХРОНИЗАЦИИ

В технике связи наиболее часто используются устройства синхронизации, в которых синхроимпульсы вырабатываются специальным генератором, расположенным в месте приема. Однако создать генератор, который после включения вырабатывал бы синхроимпульсы, совпадающие с границами единичных элементов во время всего сеанса связи, невозможно по двум причинам. Во-первых, после включения генератора положение синхроимпульсов относительно границ единичного элемента может быть произвольным, а во-вторых, даже если после включения генератора случайно синхроимпульсы и совпали с границами элементов, то из-за некоторого расхождения частот генератора, формирующего единичные элементы на передающей стороне, и генератора синхроимпульсов через некоторое время отклонение синхроимпульсов от границ единичных элементов может достичь недопустимой величины. Легко установить связь между - величиной расхождения по фазе синхроимпульсов относительно границ единичных элементов и временем, за которое оно происходит. Если обозначить через D Т разность между длительностью единичного элемента и периодом синхроимпульсов Тс.и., то за единичных интервалов расхождение по фазе между границами элементов и синхроимпульсами достигнет величины одного единичного интервала . Это произойдет за время

, (1)

где - относительная нестабильность генератора передающей стороны и генератора синхроимпульсов, равная в худшем случае удвоенному значению их коэффициентов нестабильности (поскольку отклонения частот генераторов от номинального значения могут быть противоположны).

Очевидно, что время , за которое расхождение по фазе достигнет e процентов от длительности единичного интервала, будет равно

(2)

Расчет по формуле (2) показывает, например, что при =10-6, = 50% и скорости В=2400 Бод нарушение синхронизации произойдет менее чем через 2 минуты.

В силу указанных причин устройство синхронизации необходимо дополнить устройством подстройки положения синхроимпульсов, вырабатываемых генератором, относительно границ единичных элементов. Устройство синхронизации должно содержать дополнительно блок определения величины или хотя бы знака расхождения границ единичных элементов и синхросигналов (фазовый детектор ФД) и устройство управления (УУ), изменяющее соответствующим образом положение синхроимпульсов относительно границ единичных элементов. При этом изменять положение синхроимпульсов можно либо непосредственным воздействием на частоту генератора синхроимпульсов, увеличивая или уменьшая ее, либо путем изменения времени следования синхроимпульсов, используя специальное промежуточное устройство в системе без непосредственного воздействия на частоту генератора. Структурные схемы устройств синхронизации, реализующих эти способы, приведены соответственно на рис. 4 и 5.

Недостатком устройства синхронизации с непосредственным воздействием на частоту задающего генератора является невысокая точность синхронизации. Это объясняется тем, что генератор, в котором воздействие осуществляется на параметры задающего контура, обладает малой стабильностью.

Устройство без непосредственного воздействия на частоту задающего генератора таким недостатком не обладает, хотя и несколько сложнее в реализации. Как видно из рис. 4 и 5, рассматриваемые устройства синхронизации представляют собой замкнутый контур автоматической системы управления положением синхроимпульсов относительно границ единичных элементов. Поэтому такие устройства называют замкнутыми системами синхронизации в отличие от резонансных, которые называют разомкнутыми.

Рис. 4. Структурная схема устройства синхронизации с непосредственным воздействием на частоту задающего генератора.

Рис.5. Структурная схема устройства синхронизации без непосредственного воздействия на частоту задающего генератора.

Рис.6. К пояснению принципа управления фазой синхроимпульсов.

Рассмотрим несколько подробнее устройство синхронизации без непосредственного воздействия на частоту синхронизации.

Устройство управления состоит из делителя частоты ДЧ с коэффициентом деления m , схемы добавления или исключения импульса СДИИ и реверсивного счетчика РС емкостью S, который выполняет роль усредняющего устройства для выходных сигналов фазового детектора. Очевидно, что в рассматриваемом устройстве частота задающего генератора должна быть в m раз больше скорости телеграфирования. Как известно [2], принцип изменения фазы синхроимпульсов заключается в добавлении или исключении импульсов из последовательности, вырабатываемой задающим генератором. При этом синхроимпульсы на выходе делителя частоты (счетчика) будут появляться соответственно либо раньше, либо позже по сравнению с синхроимпульсами до подстройки (см. рис. 6).

Основными параметрами, характеризующими устройство синхронизации без непосредственного воздействия на частоту задающего генератора, являются:

- погрешность синхронизации - величина, выраженная в долях единичного интервала и равная наибольшему отклонению синхросигналов от их оптимального положения, которое с заданной вероятностью может произойти при работе устройства синхронизации;

- время синхронизации tc - время, необходимое для корректирования первоначального отклонения синхроимпульсов относительно границ единичных элементов;

- время поддержания синфазности tпс - время, в течении которого отклонение синхроимпульсов от границ единичных интервалов не выйдет за допустимый предел рассогласования при прекращении работы устройства синхронизации по подстройке фазы (например, из-за обрыва канала связи);

- вероятность срыва синхронизма Рс.с. - вероятность того, что из-за действия помех отклонение синхроимпульсов от границ единичных элементов превысит половину единичного интервала.

Погрешность синхронизации e слагается из двух составляющих:

- статической погрешности синхронизации , определяемой нестабильностью задающего генератора и шагом коррекции;

- динамической погрешности e дин , вызываемой краевыми искажениями единичных элементов:

(3)

В свою очередь

d к +6S =+6S, (4)

где d к= - шаг коррекции;

- коэффициент деления делителя

- коэффициент нестабильности задающего генератора

- емкость реверсивного счетчика

Динамическая погрешность представляет собой случайную величину, среднеквадратическое значение которой можно рассчитать по следующей формуле [2]:

, (5)

где . - среднеквадратическое значение краевых искажений единичных элементов.

С вероятностью, близкой к единице, можно утверждать, что случайная величина не будет превышать своего утроенного среднеквадратического значения (правило “трех сигм”). Следовательно, для оценки значения e дин можно воспользоваться следующим выражением. (6)

Отсюда выражение для погрешности синхронизации (точнее говоря, для оценки погрешности синхронизации):

(7)

Время синхронизации рассчитывается по формуле

, (8)

а время поддержания синхронизма - по уже известной формуле (4)

. (9)

В качестве обычно используют величину исправляющей способности приемника, уменьшенную на величину погрешности синхронизации, т.е. =-

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВА СИНХРОНИЗАЦИИ

При проектировании устройства синхронизации обычно бывают заданы:

- погрешность синхронизации ;
- скорость телеграфирования ;
- среднеквадратическое значение краевых искажений ;
- исправляющая способность приемника ;
- время синхронизации
- время поддержания синфазности .

Подлежат расчету:
- частота задающего генератора ;
- допустимый коэффициент нестабильности генератора ;

- коэффициент деления делителя m;

- емкость реверсивного счетчика S.

Расчет параметров сводится по существу к решению системы уравнений (7), (8), (9). Можно предложить следующий порядок расчета.

1. Рассчитаем допустимую величину коэффициента нестабильности задающего генератора. Из (9) имеем

. (10)

2. Для удобства обозначим буквой R утроенное значение радикала в (7) и рассчитаем с учетом (8) его величину

. (11)

Следует отметить, что при заданных и произведение .

3. Решая систему уравнений (7) и (8) относительно S и m, будем иметь:

; (12)

. (13)

4. Частота задающего генератора при этом будет равна

(14)

Заметим, что в формулах (11) и (12) величины ; и выражаются в долях единичного интервала (не в процентах!).

РАСЧЕТ ВЛИЯНИЯ ПОГРЕШНОСТИ СИНХРОНИЗАЦИИ НА ВЕРОЯТНОСТЬ ОШИБКИ

Определим влияние погрешности синхронизации на вероятность ошибки. Рассмотрим случай, когда регистрация единичных элементов осуществляется методом стробирования (рис 7). На этом рисунке изображен единичный элемент, отмечен оптимальный момент регистрации МР, совпадающий с серединой единичного интервала. Исправляющую способность приемника для простоты полагаем равной 50%. Пунктирными линиями нарисованы плотности вероятности смещения левой и правой границ элемента. Очевидно, что ошибочная регистрация элемента при =50% произойдет в любом из трех следующих случаев:

- смещение левой границы вправо превысит ;
- смещение правой границы влево превысит ;
- одновременное смещение каждой из границ внутрь элемента превысит .

Тогда вероятность ошибочной регистрации будет равна , (15)

где и соответственно вероятности смещения левой и правой границ на величину больше .

Из рисунка 7 следует (16)

Рис. 7. К расчету вероятности ошибки при отсутствии погрешности синхронизации.

; . (16)

Пусть теперь устройство синхронизации вырабатывает синхроимпульсы (стробирующие импульсы) с некоторой погрешностью e (рис. 8).

Рис. 8. К расчету вероятности ошибки при наличии погрешности синхронизации

В этом случае

; (17)

Если плотности вероятности и одинаковы и описываются нормальным законом с параметрами mкр.и. и , то и можно выразить через функцию Лапласа вида

(18)

, где (19)

, где (20)

В рассматриваемых примерах , mкр.и. и , имеют ту же размерность, что и .

Как показывает анализ выражений (15), (19) и (20), погрешность синхронизации вызывает увеличение вероятности ошибки.

ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

Задача 1

Коэффициент нестабильности задающего генератора устройства синхронизации и передатчика =. Исправляющая способность приёмника =40%. Краевые искажения отсутствуют. Постройте зависимость времени нормальной работы (без ошибок) приёмника от скорости передачи после выхода из строя фазового детектора устройства синхронизации. Будут ли возникать ошибки спустя минуту после отказа фазового детектора, если скорость = 9600 Бод.

Задача 2

В системе передачи данных используется устройство синхронизации без непосредственного воздействия на частоту задающего генератора. Скорость модуляции равна . Шаг коррекции должен быть не менее . Определить частоту задающего генератора и число ячеек делителя частоты, если коэффициент деления каждой ячейки равен двум. Значения , определите для своего варианта по формулам =1000 + 10N , = 0.01 + 0.003N , где N - номер студента по списку в журнале.

Задача 3

Рассчитать параметры устройства синхронизации без непосредственного воздействия на частоту задающего генератора со следующими характеристиками: время синхронизации не более 1 с. ;время поддержания синфазности не менее 10 с. ; погрешность синхронизации не более ед. интервала . Среднеквадратичное значение краевых искажений = , исправляющая способность приёмника =45% , коэффициент нестабильности генератора =. Скорость передачи для своего варианта рассчитать по формуле =(600+10N) Бод.

Задача 4

Определить, реализуемо ли устройство синхронизации без непосредственного воздействия на частоту задающего генератора, обеспечивающее погрешность синхронизации =2.5% при условиях предыдущей задачи.

Задача 5

В системе передачи данных использовано устройство синхронизации без непосредственного воздействия на частоту задающего генератора с коэффициентом нестабильности =. Коэффициент деления делителя =10, ёмкость реверсивного счётчика =10. Смещение значащих моментов подчинено нормальному закону с нулевым математическим ожиданием и среднеквадратическим отклонением равным = (15+N/2) % длительности единичного интервала. Рассчитать вероятность ошибки при регистрации элементов методом стробирования без учёта и с учётом погрешности синхронизации. Исправляющая способность приёма считать равной 50%.

Задача 6

Скорость телеграфирования =1000 Бод. На какую величину сместится стробирующий импульс при перерыве связи на время t:

а) t=1 мин.,
б) t=8 мин.

Коэффициент нестабильности генератора =2× 10-5 .

При решении задач принять N равным последней цифре пароля.

Отчет по лабораторной работе следует оформлять в редакторе Microsoft Word 97 и высылать по адресу pdsm@neic.nsk.su или admin@dist.neic.nsk.su . Убедительная просьба при оформлении не использовать макросы и проверять на наличие вирусов.

назад