Тактова (символьна) синхронізація — це процес встановлення точної часової відповідності між прийнятим сигналом і послідовністю тактових імпульсів. Під тактовими імпульсами розуміють періодично повторювані імпульси з частотою, що дорівнює частоті повторення символів (біт) в інформаційному сигналі.

Тактова синхронізація у системах передачі й комутації призначена для виділення кожного біта переданої інформації із загальної цифрової послідовності. Тактову послідовність імпульсів, використовувану для синхронізації, отримують із переданої цифрової інформації за допомогою нагромадження наявних там відомостей про положення цих бітів. Зазвичай необхідні відомості закладені в моментах зміни знака переданих символів (при переході від одиниці до нульового символу й назад).

Для виділення тактової послідовності із цифрового сигналу застосовується вузькосмуговий фільтр або система фазового автопідлагоджування частоти (ФАПЧ) генератора (рис. 8.3.1).

Вхідний цифровий сигнал надходить на пристрій стробування, на який також подаються тактові імпульси (ТІ), які отримано із вхідного цифрового сигналу за допомогою вузькосмугового фільтра (рис. 8.3.1, а). Після стробування відновлений цифровий сигнал передається далі по лінії або надходить на обладнання прийому інформації. ТІ можуть виділятися із вхідного цифрового сигналу й за допомогою системи ФАПЧ, що містить фазовий детектор і керований місцевий генератор (рис. 8.3.1, б). Чим точніше встановлене значення середньої частоти вузькосмугового фільтра або, відповідно, власної частоти управляючого генератора й чим стабільніше працюють ці пристрої, тим менше фазова похибка в одержуваних ТІ й, відповідно, імовірність помилок під час стробування.

Рис. 8.3.1. Формування ТІ за допомогою вузькосмугового фільтра (а) і системи ФАПЧ (б)

В обладнанні комутації ТІ надходять від місцевого генератора й використовуються для перенесення інформації прийнятого цифрового сигналу на тактову частоту цього генератора для забезпечення можливості впорядкованого розподілу інформаційних сигналів у матрицю, що комутує (бітова синхронізація). Схему прийому вхідного цифрового сигналу в обладнанні комутації за допомогою ТІ місцевого генератора показано на рис. 8.3.2.

Рис. 8.3.2. Схема прийому вхідного цифрового сигналу в обладнанні комутації

Із вхідного цифрового сигналу у виділювачі ТІ одержують тактові імпульси запису (ТІ_зап), необхідні для запису цифрової інформації в буферну пам’ять. Зчитування інформації з буферної пам’яті відбувається тактовими імпульсами зчитування (ТІ_зчит), формованими місцевим генератором.

Чим ближче значення тактової частоти цифрового сигналу до частоти місцевого генератора, тим менше ймовірність появи помилок (проковзувань) у буферній пам’яті. Проковзуванням (сліпом) називається повторення або вилучення бітів інформації в цифровому сигналі через відмінність тактових частот вхідного сигналу й місцевого генератора, на частоту якого переноситься інформація, яка передана у вхідному сигналі.

Дійсно, якщо частота тактових імпульсів місцевого генератора (сигнал «Б» на рис. 8.3.3, а) менше, ніж тактова частота інформаційного сигналу (сигнал «А»), то після перезапису інформації на частоту місцевого генератора (сигнал «В») відбувається втрата одного символу (VI). У тому разі, коли частота тактових імпульсів місцевого генератора більша за тактову частоту інформаційного сигналу (рис. 8.3.3, б), з’являється додатковий символ (VI).

Рис. 8.3.3. Діаграма появи проковзувань при частоті місцевого генератора менше (a) і більше (б) частоти інформаційного сигналу

Проковзування такого виду називаються некерованими, їх поява під час передачі інформації призводить до серйозних порушень зв’язку (руйнування структури кодових слів повідомлень). У зв’язку з цим у ланцюзі кожного цифрового потоку, що надходить на обладнання комутації, включають буферну еластичну пам’ять.

Буферна еластична пам’ять (рис. 8.3.2) дозволяє змінювати взаємне положення І_зап і І_зчит, у результаті проковзування виникає тільки тоді, коли положення цих імпульсів збігається. Щоб збігу не відбувалося, зміщують положення І_зчит на один цикл, створюючи циклове або кероване проковзування.

Тактові (символьні) синхронізатори можна поділити на дві основні групи. Перша група складається з розімкнутих синхронізаторів. Дані схеми виділяють копію виходу генератора тактових імпульсів передавача безпосередньо із вхідного інформаційного потоку. Друга група — це замкнуті синхронізатори, вони синхронізують локальний (місцевий) генератор тактових імпульсів із приймальним сигналом за допомогою звірення локального й приймаючого сигналів. Замкнуті синхронізатори, як правило, точніші, але при цьому складніші й коштовніші.

Розімкнуті тактові (символьні) синхронізатори також іноді називають нелінійними синхронізаторами на фільтрах. Синхронізатори цього класу генерують частотний компонент зі швидкістю передачі символів, пропускаючи вхідний, низькочастотний сигнал крізь послідовно включений узгоджений фільтр й нелінійний пристрій. Робота цього пристрою аналогічна відновленню несучої в контурі супроводу з придушеною несучою. У цьому разі бажаний частотний компонент, переданий зі швидкістю передачі символів, виділяється за допомогою смугового фільтра, після чого підсилювач, що насичує, з високим коефіцієнтом насичення надає йому потрібну форму. У результаті відновлюється прямокутний сигнал генератора тактових імпульсів. На рис. 8.3.4 наведено три приклади розімкнутих бітових синхронізаторів.

Рис. 8.3.4. Типи розімкнутих тактових синхронізаторів

У першому прикладі (рис. 8.3.4, а) вхідний сигнал s(t) фільтрується з використанням погодженого фільтра. Вихід цього фільтра — автокореляційна функція вихідного сигналу. Наприклад, для передачі за допомогою прямокутних імпульсів на виході маємо сигнал, що складається з рівнобедрених трикутників. Потім отримана послідовність спрямовується за допомогою деякої нелінійності парного порядку, наприклад квадратичного пристрою. Отриманий сигнал міститиме піки додатної амплітуди, які з точністю до часової затримки відповідають переходам вхідних символів. Послідовність описаних процесів зображено на рис. 8.3.5.

Рис. 8.3.5. Ілюстрація процесів, що проходять у розімкнутому тактовому синхронізаторі

Таким чином, сигнал з виходу парного пристрою міститиме Фур’є-компонент на власній частоті тактового генератора. Ця частотна складова фільтрується від інших гармонік за допомогою смугового фільтра (bandpass filter — BPF), і їй надається форма за допомогою підсилювача, що насичує, з передавальною функцією такого вигляду:

(8.3.1)

У другому прикладі (рис. 8.3.4, б) Фур’є-компонент на частоті тактового генератора створюється за допомогою затримки та множення. Тривалість затримки, показаної на рис. 8.3.4, б, дорівнює половині періоду передачі біта й це значення є оптимальним, оскільки воно дає найбільший Фур’є-компонент. Сигнал m(t) завжди буде додатним у другій половині будь-якого періоду передачі біта, але матиме від’ємну першу половину, якщо у вхідному потоці бітів s(t) відбулася зміна стану. Це дає прямокутний сигнал, спектральні компоненти і всі гармоніки якого збігаються з тими, що були в сигналі у схемі на рис. 8.3.4, а. Як і раніше, потрібний спектральний компонент може бути відокремлений за допомогою смугового фільтра і йому буде надано потрібної форми.

Останній приклад (рис. 8.3.4, в) відповідає контурному детектору. Основними операціями тут є диференціювання й випрямлення (за допомогою використання квадратичного пристрою). Якщо на вхід надходить сигнал прямокутної форми, диференціатор дає додатні або від’ємні піки на всіх переходах символів. Під час випрямлення отримувана послідовність додатних імпульсів даватиме Фур’є-компонент на швидкості передачі інформаційних символів. Потенційною проблемою цієї схеми є те, що диференціатори зазвичай досить чутливі до широкосмугового шуму. Це робить необхідним введення перед диференціатором фільтра нижніх частот (low-pass filter — LPF), як показано на рис. 8.3.4, в. Водночас цей фільтр видаляє високочастотні складові інформаційних символів, що призводить до втрати сигналом вихідної прямокутної форми. Це, у свою чергу, призводить до того, що результуючий диференціальний сигнал матиме кінцеві часи наростання й спаду й уже не буде послідовністю імпульсів.

Очевидно, що з етапами обробки сигналів, зображеними на рис. 8.3.4, буде пов’язана деяка апаратна затримка. Для смугового фільтра, ефективно усереднювального K вхідних символів (ширина смуги = 1/KТ), величина середнього часу затримки описується таким виразом:

(8.3.2)

де K ≥ 18; Т — період передачі символу; E_b — енергія сигналу на біт; N₀ — однобічна спектральна щільність потужності прийнятого шуму.

При високих відношеннях сигнал/шум відношення середньо-квадратичного відхилення часової помилки визначається таким виразом:

(8.3.3)

Таким чином, якщо для цього смугового фільтра прийняте відношення сигнал/шум досить велике, всі розглянуті методи (див. на рис. 8.3.4), забезпечать точну тактовну синхронізацію.