8.3. KODY I SYNCHRONIZACJA


  Parametry systemu rozpraszania widma zależne są od właściwości kodu rozpraszającego. Kod ten musi charakteryzować się:
1. Możliwie równą liczbą zer i jedynek w dłuższych odcinkach czasu, tak aby w sygnale nie występowała składowa stała. Występowanie składowej stałej w systemie kluczowania fazy powodowałoby pewne rozrównoważenie modulatora powodujące występowanie nośnej w sygnale nadawanym. Nośna ta mogłaby zostać wykryta i zakłócona lub sama powodować zakłócenia. W systemie z kluczowaniem częstotliwości powodowałoby to niepożądane uprzywilejowanie jednego z kanałów i wzrost wpływu występujących w nim zakłóceń. Właściwość ta była pożądana również w koderze modemu G3RUH.
2. Rozkład zer i jedynek w kodzie musi być możliwie statystyczny, tzn. niedopuszczalne jest występowanie zbyt długich ciągów zer lub jedynek. Zapewnia to pseudoszumowy charakter sygnału.
3. Częstotliwość powtarzania kodu musi być niższa od najniższej częstotliwości sygnału informacyjnego dla uniknięcia zakłóceń. Ponieważ częstotliwość zegarowa kodu musi być odpowiednio wysoka dla osiągnięcia pożądanego stopnia rozproszenia (zysku przetwarzania), kody te mają znaczną długość. Użycie dłuższych kodów zwiększa odporność systemu na zakłócenia, a w systemach z kluczowaniem fazy zapewnia także wyższe tłumienie nośnej w modulatorze zrównoważonym.
4. Możliwie dużą łatwością rozpoznania przez upoważnioną stronę odbiorczą (dobrymi właściwościami autokorelacyjnymi), tak aby nie doszło do pomyłek przy odbiorze innych podobnych kodów.
5) Możliwie małym podobieństwem do innych stosowanych kodów (małą korelacją skrośną).
    Z warunków tych (a zwłaszcza dwóch ostatnich) wynika konieczność wyboru pewnego zbioru (rodziny) kodów. Jedną z rodzin kodów spełniających podane warunki są tzw. kody maksymalne. Prawdopodobieństwo wystąpienia pojedyńczych zer i jedynek w kodach maksymalnych wynosi około 25 % i maleje o połowę dla każdego dłuższego ciągu o identycznym składzie. Oznacza to, że prawdopodobieństwo wystąpienia ciągu dwóch identycznych bitów wynosi 12,5 %, trzech - 6,25 % itd. Liczba jedynek w kodzie maksymalnym jest o jedną większa od liczby zer, co w systemach z kluczowaniem fazy powoduje pewne niewielkie rozrównoważenie mieszacza wyjściowego. Rozrównoważenie to maleje w miarę przedłużania kodu.

8.3.1. GENERACJA KODÓW

    Najczęściej stosowanym sposobem generacji kodów rozpraszających jest użycie wielostopniowego rejestru przesuwnego ze sprzężeniami zwrotnymi (rysunek 8.4). Generowane kody zależne są od długości rejestru i występujących sprzężeń zwrotnych. Długość ciągu (l) dla kodu maksymalnego przy danej liczbie stopni (N) rejestru obliczana jest ze wzoru: l = 2^N - 1.

    [rys. 8_04]

    Układ sprzężeń zwrotnych rejestru można także zapisać matematycznie za pomocą wielomianu. Każdy z elementów wielomianu reprezentuje bit znajdujący się na odpowiedniej pozycji w rejestrze. Np. trzystopniowy rejestr może być opisany za pomocą wielomianu: 1 + X + X^2 + X^3 i analogicznie dłuższe rejestry za pomocą wielomianów wyższych rzędów. Jedynka na początku wielomianu symbolizuje wejście rejestru, a następujące po niej potęgi zmiennej X - wyjścia odpowiednich stopni rejestru. Również połączenia sprzężenia zwrotnego generatora mogą być opisane za pomocą odpowiedniego wielomianu. W przykładzie przedstawionym na rysunku byłby to wielomian 1 + X + X^7. Zapis ten użyty był też w opisie kodera modemu G3RUH. Alternatywnym, w stosunku do przedstawionego rozwiązania, jest wprowadzenie sumatorów między wejścia i wyjścia odpowiednich stopni rejestru. Do drugiego z wejść sumatora doprowadzony jest sygnał wyjściowy z ostatniego stopnia rejestru. Pierwszy z przedstawionych sposobów jest jednak łatwiejszy w realizacji przy użyciu typowych układów cyfrowych.
    Możliwa jest także cyfrowa generacja kodów w układzie komputerowym (zastosowanie metod cyfrowej obróbki sygnałów). Teoria kodów maksymalnych jest dość skomplikowana, dlatego też nie będziemy tutaj zagłębiać się w szczegóły. Należy pamiętać jedynie, że dla danej długości rejestru istnieją tylko pewne kombinacje sprzężeń zwrotnych umożliwiające generację grup kodów maksymalnych.
    Transmisje amatorskie powinny być odbierane przez możliwie szerokie grono słuchaczy. Powoduje to konieczność ustalenia długości rejestrów oraz rodzaju i liczby obwodów sprzężenia zwrotnego - wyboru pewnej liczby znanych ogólnie kodów. Teoretycznie możliwa liczba kombinacji jest oczywiście znacznie większa. I tak np. dla rejestru 7-stopniowego liczba kodów maksymalnych wynosi 18, dla 9-stopniowego - 60, a dla 15-stopniowego - już 1800 itd. Jest więc w czym wybierać.
    W eksperymentach prowadzonych przez krótkofalowców amerykańskich dozwolone było użycie trzech typów rejestrów:
1. rejestru 7-bitowego ze sprzężeniem z wyjść stopni 1 i 7 na wejście pierwszego stopnia (1 + X + X^7).
2. rejestru 13-bitowego ze sprzężeniem z wyjść stopni 1, 3, 4 i 13 na wejście pierwszego stopnia (1 + X^3 + X^4 + X^13).
3. rejestru 19-bitowego ze sprzężeniem z wyjść stopni 1, 2, 5 i 19 na wejście pierwszego stopnia (1 + X^2 + X^5 + X^19).
    Stanem początkowym rejestrów musiało być zero. Niedozwolone było zerowanie rejestru w trakcie łączności i zakłócanie w ten sposób ciągu rozpraszającego. Do rozpraszającego kluczowania fazy stosowany był sygnał wyjściowy ostatniego stopnia rejestru. W systemach z kluczowaniem częstotliwości syntezer sterowany był sygnałami z kolejnych wyjść rejestru, począwszy od ostatniego.
    Kodami alternatywnymi w stosunku do poprzednich mogą być kody generowane przez rejestry:
1. 7-stopniowe ze sprzężeniami z wyjść 6 i 7; 3 i 7; 1, 2, 3 i 7; 2, 3, 4 i 7; 1, 3, 6 i 7; 2, 5, 6 i 7; 1, 2, 4, 5, 6 i 7; 1, 2, 3, 4, 5 i 7;
2. 9-stopniowe ze sprzężeniami z wyjść 4 i 9; 5 i 9; 3, 4, 6 i 9;
3. 15-stopniowe ze sprzężeniami z wyjść 14 i 15;
4) 19-stopniowe ze sprzężeniami z wyjść 1, 5, 6 i 9.
    Wybór ten nie wyczerpuje wszystkich dopuszczalnych kombinacji sprzężeń i został dokonany w sposób przypadkowy. Pełny zestaw wypełniłby oddzielną pozycję książkową. Jako ćwiczenie proponuję czytelnikom przedstawienie powyższych sprzężeń w postaci wielomianowej.
    Zmiana stosowanego kodu wymaga w generatorach z rejestrami przesuwnymi dokonania czasami bardziej skomplikowanych przełączeń dla zmiany długości rejestru i wyboru odpowiednich wyjść. Alternatywą może być zapisanie gotowych kodów w pamięci EPROM i ich wybór poprzez zmianę zakresu adresowego albo przewodu wyjściowego.

8.3.2. SYNCHRONIZACJA

    Najtrudniejszym problemem w systemach rozpraszania widma jest zapewnienie synchronizacji między stronani nadawczą i odbiorczą. Strona odbiorcza musi znać wszystkie istotne parametry sygnału nadawanego, oczywiście poza nadawaną informacją. Przede wszystkim, jak już wspomniano, są to:
- dokładna częstotliwość nośna,
- ciąg pseudolosowy,
- częstotliwość zegarowa ciągu,
- dokładny moment początku (z dokładnością do 0,5 bita).
    Synchronizacja musi być zachowana przez cały czas trwania transmisji, niezależnie od ewentualnych utrudnień, jak np. wpływ efektu Dopplera. Pożądane jest zapewnienie jak największej dokładności synchronizacji, ponieważ nawet nieznaczne, wzajemne przesunięcie ciągów nadawczego i odbiorczego powoduje powstanie dodatkowej składowej szumów w odbiorniku. W układach profesjonalnych po osiągnięciu synchronizacji zgrubnej (z dokładnością do 0,5 długości bitu) dokonywana jest synchronizacja dokładna. W tym celu stosowany jest najczęściej specjalny układ pętli synchronizacji fazy.
    Możliwe jest zastosowanie jednej z trzech metod synchronizacji:
1. nadawanie sekwencji odniesienia dodatkowo do sygnału rozproszonego,
2. synchronizacja częstotliwości i fazy przez stacje wzorcowe,
3. synchronizacja w oparciu o sygnał odbierany.
    Najmniej krytyczna jest metoda pierwsza i dlatego też jest on zalecana w pierwszej fazie eksperymentów. W metodzie tej dodatkowo do zmodulowanej i rozproszonej nośnej użytkowej nadawana jest nośna niemodulowana, a jedynie rozproszona za pomocą tego samego kodu. Nośna ta doprowadzona jest po stronie odbiorczej do drugiego wejścia modulatora zrównoważonego, dzięki czemu uzyskuje się prawidłową demodulację sygnału. Metoda ta może być stosowana w systemach kluczowania fazy i częstotliwości. Wadą jej jest większa łatwość zakłócenia i odebrania informacji przez nieupoważnione stacje. W łącznościach amatorskich aspekt ten jest bez znaczenia.
    W metodzie drugiej częstotliwości i fazy sygnałów obu korespondentów synchronizowane są za pomocą sygnału częstotliwości wzorcowej (przykładowo Warszawy 1, DCF77 albo lokalnej stacji średniofalowej) lub telewizyjnych sygnałów synchronizacji. Jedyną wielkością wymagającą regulacji jest faza ciągu rozpraszającego. W warunkach amatorskich faza ciągu może być regulowana ręcznie.
    W metodzie trzeciej, pod warunkiem znajomości kodu rozpraszającego (co jest oczywiste w łącznościach amatorskich), możliwe jest przesuwanie w fazie generowanego lokalnie kodu aż do uzyskania możliwie największego podobieństwa z odbieranym (autokorelacji). Ze względu na znaczne długości stosowanych kodów proces synchronizacji trwa dość długo, musi on być jednak przeprowadzony tylko jednorazowo na początku łączności. Dla skrócenia czasu synchronizacji można nadawać specjalne (krótsze) kody synchronizacyjne. Jednym z takich kodów jest kod Thue-Moora składający się z kolejnych bitów parzystości n-stopniowego licznika dwójkowego.

Wydanie z dn. 20.03.1999.

© Prawa autorskie Krzysztof Dąbrowski, OE1KDA.