Усі системи цифрового зв’язку вимагають синхронізації сигналів, яка полягає у встановленні й підтримці точної часової відповідності сформованих у передавальній частині й прийнятих у приймальній частині сигналів. У цьому розділі розглянуто основи синхронізації різних рівнів у цифровому зв’язку. Надано характеристику різних видів синхронізації, їхнє місце, роль і значення на різних етапах обробки сигналів у системах цифрового зв’язку. Істотну увагу приділено розгляду фазової (частотної) і тактової (символьної) синхронізації й аналізу схем фазового автопідлагоджування частоти (ФАПЧ). Розглянуто також часову (кадрову, циклову) синхронізацію приймача, методи її досягнення й підтримки. Завершується розділ стислою характеристикою мережної синхронізації цифрових систем зв’язку.

Синхронізація у багатоканальному цифровому зв’язку пов’язана із завданнями демодуляції, декодування повідомлень, а також з комутацією й розподілу інформації споживачам. Для функціонування цифрової мережі зв’язку необхідно забезпечити доставку синхроінформації еталонного джерела синхронізації до всіх пристроїв мережі. При цьому інформацію щодо синхропараметрів сигналу отримують за допомогою пристрою синхронізації із прийнятих коливань або ж вона надходить окремим каналом синхронізації.

У технології сучасного цифрового зв’язку існує три основних поняття синхронізації: фазова, тактова (символьна) і часова (циклова, кадрова).

Фазова синхронізація приймального пристрою здійснюється у разі, коли момент надходження радіосигналу необхідно знати з точністю до фази високочастотного заповнення. Наприклад, при когерентній фазовій демодуляції передбачається, що приймач генерує опорні сигнали, фаза яких ідентична фазі елементів сигнального алфавіту передавача. Далі у процесі прийняття рішення щодо значення кожного прийнятого символу (тобто для визначення, чи є символом 1 або 0) опорні сигнали рівняються із прийнятими (рис. 8.1.1).

Рис. 8.1.1. Принцип когерентної фазової демодуляції сигналів

Отже, для когерентного прийому сигналів, модульованих за фазою, необхідно визначити фазу носійного коливання. Чим стабільніша частота носійного коливання f_н = 1/Т_н інформаційного сигналу й сигналу синхронізації місцевого генератора f_м.г. = 1/Т_м.г. і чим точніше вдається встановити рівність цих частот, тим точніше розпізнавати, у якому тактовому інтервалі передається символ 1, а в якому 0.

Тактова (символьна) синхронізація, або синхронізація тактової частоти, визначає частоту повторення сигналу або його елементів, тобто визначає моменти часу, де починається приймальний символ і де він закінчується. Ця інформація необхідна, щоб знати відповідний інтервал інтегрування енергії перед прийняттям рішення щодо значення символу. Очевидно, якщо приймач інтегрує по інтервалу, що відрізняється від тривалості символу (такту), здатність до прийняття точного рішення знижуватиметься. При генерації опорних сигналів приймач має бути синхронізований із частотою проходження символів. Можна бачити, що символьну (тактову) і фазову синхронізації поєднує те, що обидві включають генерацію в приймачі копії переданого сигналу. Для фазової синхронізації це буде точна копія носійної частоти інформаційного радіосигналу. Для тактової — це меандр, період якого погоджений зі швидкістю передачі символу.

Таке узгодження забезпечується відповідно фазовою й тактовою синхронізацією й полягає у фазовому автопідлагоджуванні частоти гетеродина приймача. У результаті фазової синхронізації гетеродин приймача синхронізується за частотою й фазою із прийнятим радіосигналом. Оскільки на один період передачі символу зазвичай припадає дуже велика кількість періодів носійної частоти, то тактова синхронізація — це другий рівень синхронізації, що значно грубіше фазової синхронізації й зазвичай виконується за допомогою іншої схеми фазового автопідлагоджування частоти, відмінної від використовуваної при фазовій синхронізації.

У багатоканальних системах цифрового зв’язку потрібний ще вищий рівень синхронізації, яка називається цикловою (кадровою) синхронізацією. Циклова (кадрова) синхронізація потрібна, коли інформація поставляється блоками або повідомленнями, що містять фіксовану кількість символів. Це відбувається, наприклад, під час використання блокового коду для реалізації схеми прямого захисту від помилок або якщо канал зв’язку має часовий поділ і використовується декількома користувачами (технологія TDMA). При блоковому декодуванні повідомлень необхідно знати розташування границь між кодовими словами. Під час використання каналу з часовими поділами слід знати розташування границь між користувачами каналу, що необхідно для правильного розподілу інформації. Згідно з тактовою (символьною) синхронізацією, циклова (кадрова) синхронізація рівнозначна можливості генерації меандру на швидкості передачі кадрів з нульовими переходами, що збігаються з переходами від одного циклу (кадру) до іншого.

Більшість систем цифрового зв’язку, що використовують когерентну модуляцію, вимагають усі три рівні синхронізації: фазову, тактову (символьну) і циклову (кадрову). Системи цифрового зв’язку з некогерентною модуляцією зазвичай вимагають тільки тактової (символьної) і циклової (кадрової) синхронізації, оскільки модуляція є некогерентною, точної синхронізації фази не потрібно. Крім того, некогерентним системам необхідна частотна синхронізація. Частотна синхронізація відрізняється від фазової тим, що копія носійного коливання, яке генерується приймачем, може мати довільний зсув фази від прийнятої носійної.

Мережна синхронізація є одним з видів синхронізації, необхідної для підтримки безперервності передачі інформації в цифровій мережі, що містить різні системи передачі й комутації, які розташовані в різних місцях мережі зв’язку. Найбільш загальною є система тактової мережної синхронізації (ТМС). У цьому разі система ТМС забезпечує когерентність коливань генераторів тактової частоти (ГТЧ) на безлічі вузлів цифрової мережі зв’язку. Система ТМС є сукупністю ведучих і ведених генераторів і каналів синхронізації, які створюють мережу тактової синхронізації.

Існує три різновиди систем ТСС:

• від головного генератора або система виду «ведучий — ведений»;
• система взаємної синхронізації генераторів;
• плезіохронна система синхронізації.

У системі синхронізації «від головного генератора» (рис. 8.1.2) як ведучий генератор використовується первинний еталонний генератор (ПЕГ) з високою стабільністю частоти.

Рис. 8.1.2. Структурна схема тактової мережної синхронізації виду «ведучий — ведений»

Ведені генератори (вторинні) реалізовані у вигляді фазових автопідлагоджувань частоти (ФАПЧ). ПЕГ «веде» генератори фазових автопідлагоджувань частоти з точністю до фази, так, що середня частотне розлагоджування генераторів ФАПЧ усувається повністю. З виходів ФАПЧ синхронізовані коливання надходять у генераторне обладнання вузлів комутації, цифрової системи передачі (ЦСП), апаратури ПД.

У системі взаємної синхронізації генераторів (рис. 8.1.3) ведучий генератор відсутній, у мережі синхронізації є лише ведені генератори (пристрої ФАПЧ), які взаємно підлаштовують один одного за частотою й фазою. У результаті середні частоти ведених генераторів ФАПЧ на вузлах мережі синхронізації будуть однакові.

Рис. 8.1.3. Структурна схема системи взаємної синхронізації генераторів

Плезіохронна синхронізація (рис. 8.1.4) є автономною системою синхронізації. У цьому разі генераторне обладнання окремих вузлів комутації й ЦСП синхронізується автономно від первинних еталонних генераторів.

Рис. 8.1.4. Структурна схема плезіохронної синхронізації

Кожна з розглянутих систем синхронізації має переваги й недоліки. Так, система синхронізації «від головного генератора» вимагає застосування спеціальних заходів для підвищення її перешкодозахищеності й живучості; система взаємної синхронізації генераторів не забезпечує виконання вимог за стабільністю частот ведених генераторів; плезіохронна система синхронізації не забезпечує рівності фаз генераторів і є складною в експлуатації. На практиці найбільшого поширення набула система синхронізації «від головного генератора».