Sinhronizacija u prijemniku

UVOD

Izazov u oblasti multimedijalnih telekomunikacija jeste pokušaj da se koherentno i konzistentno integrišu tekst, zvuk,slika i video i to tako da se obezbedi jednostavnost korišćenja i interaktivnost rada. Da bi ponuđene multimedijalne aplikacije bile prihvatljive za krajnje korisnike, posebna pažnja se poklanja kvalitetu prenosa kroz mrežu i prezentaciji poruka. Sinhronizacija se često označava kao jedan od fundamentalnih problema u multimedijalnim sistemima. Sinhronizacija u multimedijalnim sistemima odnosi se na mehanizme koji ispunjavaju zadatak definisanja i obnavljanja vremenske zavisnosti multimedijalnih poruka na mestu prijema. Istraživanja u oblasti sinhronizacije su postala naročito intenzivna od 1990. god. i do danas su prezentovana različita rešenja ovog problema.
Da bi prijemnik dekodirao i interpretirao bilo koju jedinicu prenosa, on mora da zna sledeća tri parametra:
1. početak i kraj svakog bita, znači bitsku brzinu
2. početak i kraj svake kodne reči (okteta/znaka/karaktera/bajta)
3. početak i kraj svake kompletne poruke, bloka ili okvira (rama).
Ova tri faktora su poznata pod sledećim nazivima:
1. bitska sinhronizacija (predajni, odn. prijemni takt)
2. karakter sinhronizacija
3. sinhronizacija okvira.

Sinhronizacija se, u principu, može postići na jedan od dva načina shodno tome da su taktovi Tx (predajni) i Rx (primljeni) nezavisni (ASINHRONI), ili uzajamno usklađeni, sinhronizovani (SINHRONI). Ako su podaci koji treba da se prenose sačinjeni od niza karaktera sa slučajnim (verovatno dugačkim) vremenskim intervalima između svakog karaktera, tada se svaki karakter prenosi nezavisno od drugih i prijemnik se resinhronizuje na početku svakog novog karaktera. Za ovakav tip komunikacije koristi se ASINHRONI PRENOS. Ako su, međutim, podaci koji treba da se prenesu sačinjeni od kompletnih blokova podataka gde svaki sadrži, recimo, mnogo bajtova, tada Tx i Rx takt mora da bude u sinhronizmu u dugom vremenskom intervalu, te se koristi SINHRONI PRENOS.


1. Sinhronizacija

Informacija o komunikacionom kanalu, kao što je fazni odziv kanala, je potrebna za konstrukciju prijemnika. U mnogim praktičnim situacijama, ova informacija je nepoznata, a relativni parametri kanala se moraju utvrđivati na osnovu primljenog signala. Tri osnovna parametra, koje većina prijemnika zahteva su: frekvencija nosećeg signala, faza nosećeg signala i simbolsko vreme primljenog signala. Frekvencija nosioca primljenog signala može biti različita od nominalne vrednosti frekvencije nosioca sa predajnika. Ovo odstupanje može biti rezultat devijacije predajnog oscilatora od nominalne frekvencije i što je još važnije, „doppler “ efekat kada je predajnik u radu povezanom sa prijemnikom.
U stvarnosti, potrebno je konačno vreme za putovanje elektromagnetnog talasa koji nosi informaciju, od predajnika do prijemnika. Ovo kašnjenje u prenosu predstavlja nepodudarnost između simbolskog vremena u predajniku i prijemniku. Podsetimo se da trebamo uzorkovati (semplovati) izlaz filtera u tačnim vremenskim intervalima kako bi se optimizovala greška. Potrebno je znati simbolsko vreme u prijemniku (ili ekvivalentno prenosno kašnjenje) kako bi se eliminisalo kvarenje prenosa usled vremenskog ne poklapanja. Faza nosioca primljenog signala je suma tri glavne komponente: slučajne faze oscilatora predajnika, faznog odziva kanala i faze usled kašnjenja. Kako bi obradili sva tri kanalna nedostatka, moramo proširiti ne-disperzivni kanal.
Primljeni signal u proširenom modelu se prikazuje jednačinom:

(1.1)

gde je v(t) signal u osnovnom opsegu, a novi parametri fd i su dodani usled devijacije frekvencije nosioca i prenosnog kašnjenja, respektivno. Često možemo kombinovati fazne izraze iz (1.1) u jedan fazni izraz za obradu faze primljenog signala:



Proces utvrđivanja ovih parametara, naziva se sinhronizacija. Kako kratak uvod temi, skoncentrisaćemo se na utvrđivanje faze nosioca i prenosnog kašnjenja, dok ćemo zanemariti nepodudaranje frekvencija nosioca. Proces utvrđivanja faze nosioca je poznat kao sinhronizacija faze nosioca (carrier phase synchronization), postiže se PLL kolom (phase-locked loop (PLL circuit)). Proces utvrđivanja prenosnog kašnjenja je poznat kao sinhronizacija simbolskog vremena (symbol timing synchronization), a postiže se DLL kolom (delay-locked loop (DLL circuit)). Ispostavilo se da se isto PLL kolo može koristiti i za praćenje razlike frekvencije nosioca, ako je ona velika.

1.1 Efekat greške sinhronizacije

Prvo, treba ispitati efekat greške u proceni tri parametra prenosa u tipičnom komunikacionom sistemu. Kako bi pojednostavili postupak, posmatrajmo BPSK sistem u kome je primljeni signal dat izrazom:


(1.2)

gde je n(t) AWGN proces sa jačinom spektralnog šuma N0/2.
Kod nekih sinhronizacionih procesa dobijamo vrednosti fd’, ’ i ’ za parametre fd, i , respektivno. Zbog toga, formiramo korelativni demodulator zasnovan na ovim parametrima (slika 1.1).


Slika 1.1. Korelativni prijemnik sa utvrđenim parametrima


1.2 Sinhronizacija faze nosećeg signala

Zbog jednostavnosti pretpostavimo da je fd=0 i , a sada pređimo na utvrđivanje faze nosioca . Počnimo sa razvijanjem utvrđivača maksimalne veraovatnoće (ML utvrđivač) faze ( ) sa non-disperzivnim kanalom i pretpostavkom da je poslani signal poslat prijemniku, tj. da nije modulisan. Zatim prodiskutujmo o nekoliko uobičajenih faznih petlji koje su zamena za ML utvrđivač u različitim situacijama.