Системы передачи информации, как минимум, состоят из передатчика сигнала и его приемника. Если передать сигнал нужной формы в кабель или окружающее пространство особых проблем не представляет, то с приемом и обработкой сигнала ситуация в корне иная. Благодаря помехам, шумам и просто искажениям, вносимым средой передачи сигнала, то что принято на другом конце иногда совсем не похоже на то, что передавалось. В большинстве случаев корреляционная обработка сигнала решает многие проблемы, однако за кадром остается проблема первой степени важности.
Что такое синхронизация?
Много ли вам подскажет определение "процесс установления и поддержания временных соотношений между приемником и передатчиком сигналов" ? Скорее всего это слишком абстрактно, а потому лучшим вариантом будет рассмотрение самой проблемы.
Условно системы передачи данных можно разделить на системы с внеканальной и внутриканальной синхронизацией. Сам факт установления передатчиком уровня напряжения в кабеле еще ни о чем не говорит, так как приемник попросту не знает в какой именно момент нужно считывать уровень. Установление этих временных соотношений часто решается введением в систему передачи информации дополнительного провода с тактовыми сигналами. Они-то и подсказывают приемнику когда считывать напряжение и принимать решение.
Такие инженерные решения приводят к растрате какого-либо из ресурсов. Чаще всего это дополнительный проводник в кабеле. Так как сигнал синхронизации проходит вне канала передачи данных, то это именуется внеканальной системой синхронизации. От такого подхода постоянно уходят в сторону внутриканальной синхронизации.
Как можно догадаться, сигнал синхронизации не передается в отдельном канале, он извлекается из самих передаваемых данных.
Сейчас не будем разбираться как это происходит, но обязательно нужно посмотреть к каким проблемам приводит отсутствие синхронизации.
А что если синхронизации нет?
Давайте вместе рассмотрим серьезность вопроса. Пусть передатчик выставил в кабель передачи данных уровни напряжения, соответствующие нулям и единицам:
Даже если сигнал дойдет до приемника в том же самом виде невозможно будет разобраться в какие моменты времени считывать напряжение. Если это делать реже или чаще, чем нужно, то очевидно, что получим мусор из бит. Очевидно, что на приемном конце функционирует нечто, подобное секундомеру, точно отсчитывающему моменты считывания уровня напряжения.
На самом деле, никакой канал связи не избавлен от шумов, что только ухудшает ситуацию:
Как можно заметить, иногда при передаваемых единицах появляются напряжения нуля и наоборот. Вопреки интуиции, изображенный выше шум совсем не является мощным и это мы увидим далее. Вы все еще думаете, что простой секундомер спасет ситуацию? Очень зря.
В первую очередь нужно избавиться от шумовых выбросов. Кто не владеет информацией о форме сигнала - могут попробовать использовать частотный фильтр и это заметно снизит негативное воздействие шума. Однако, зная форму передаваемого сигнала применять корреляционную обработку будет поступком настоящих инженеров.
При операции свертки входного сигнала со своей хранящейся копией получается взаимно-корреляционная функция (ВКФ), которая для прямоугольного сигнала на фоне небольших шумов (в точности как на рисунке выше) будет выглядеть примерно так:
Шум, изображенный ранее по ходу статьи привел к незначительным искажениям отклика коррелятора Не зря коррелятор считается оптимальным устройством обработки сигналов. Форма сигнала пропала, теперь мы имеем дело с треугольной ВКФ, однако, для принятия решения о присутствии в канале связи какого-то из битов лучше и придумать нельзя.
Допустим, внутренний секундомер приемника, зная технические подробности передаваемого сигнала, смог точно выставить временные промежутки между считывающими импульсами:
Каждый считывающий импульс приходит в пиковое значение ВКФ, все считанные значения напряжения откладываются на, так называемой, фазовой диаграмме. Слева от вертикальной стрелки значения ВКФ соответствуют передаваемому нулю, справа - единице. Границей при принятии решения будет нулевая отметка, через которую проведена стрелка. Как можно заметить, из-за шумовых искажений значения ВКФ немного размазаны.
Согласно теории вероятностей, можно выделить некоторый диапазон (обозначен дугами), и 99% значений считанной ВКФ будет в него попадать:
При таком положении дел вероятность совершения ошибки при принятии решения о пришедшем бите близка к нулю. Все значения ВКФ далеки от границы. Однако, что случится, если секундомер не угадал с моментами времени считывания значений?
На картинке выше моменты считывания значений ВКФ сдвинуты относительно оптимальных и вся развернувшаяся катастрофа будет видна на фазовой диаграмме. Считанные значения размазаны так, что 99% укладывается в очень широкий диапазон, выходящий кроме того еще за границу приятия решения. Короче говоря, вероятность ошибки будет очень высокой и дело вовсе не в шуме, а в отсутствии синхронизации между передатчиком и приемником. Достаточно убедительно?
В следующих статьях применим все наши знания для создания системы автоматического управления этим самым секундомером и это будет куда более интересно, чем подсматривать за инженерными решениями других.
Поддержите статью лайком если понравилось и подпишитесь чтобы ничего не пропускать.
Также не обойдите вниманием канал на YouTube. Подписки и лайки будут приятным ответом от аудитории.
