Способ передачи и приема цифровой информации в целом
METHOD FOR TRANSMISSION AND RECEPTION OF DIGITAL INFORMATION IN GENERAL

Изобретение относится к области передачи цифровой информации и предназначено для применения в приемных устройствах систем синхронной цифровой связи. Под передачей информации, если это не оговаривается особо, понимается совокупность функций как собственно передачи, так и приема.
Одним из существенных факторов, негативно влияющих на эффективность (скорость передачи и/или вероятность ошибки декодирования) систем цифровой связи, является наличие межсимвольной интерференции (МСИ), обусловленной многолучевым распространением. Данное положение обусловлено, в частности, тем, что наличие МСИ влечет за собой помехи, обусловленные временным перекрытием передаваемых последовательно символов (далее именуем эти символы элементарными посылками (ЭП)). Указанные помехи именуем интерференционными помехами (ИП). Одним из вариантов преодоления указанной проблемы является реализация так называемого приема в целом (определение данного термина приведено ниже). Вместе с тем, реализация приема в целом актуальна и в условиях отсутствия МСИ. Ниже приведены описания прототипа и заявляемого способа в вариантах, предусматривающих меры по подавлению ИП. Однако в принципиальном плане возможна и актуальна реализация заявляемого способа и в отсутствие МСИ (ИП).
Известен способ детектирования (как существенный элемент способа передачи) сигналов (сообщений) в цифровых системах связи в целом [1, с. 636]. Недостатком данного аналога являются необходимые значительные вычислительные ресурсы реализующих этот способ аппаратно-программных средств, что обусловлено предусмотренной им реализацией множества каналов обработки, каждый из которых рассчитан на прием соответствующей комбинации ЭП (каждая возможная комбинация ЭП далее именуется альтернативой последовательности ЭП). Кроме того, этот аналог непосредственно на прием сообщений в условиях МСИ не рассчитан.
Указанный недостаток (необходимые значительные вычислительные ресурсы реализующих способ аппаратно-программных средств) свойственен также и способу, описанному [2].
Известен способ передачи цифрового сообщения, в составе которого реализуется, в частности, совокупность операций приема в целом в условиях многолучевого распространения, описанная в [3, с. 193, 194]. В основе этого способа лежит алгоритм Кловского-Николаева (АКН). Его недостатком является сравнительно низкая помехоустойчивость приема (декодирования) сообщения, обусловленная тем, что в нем реализуется операция поэлементного принятия решения.
Пояснение терминологии. Прием сообщения в целом с поэлементным принятием решения - способ декодирования сообщения, предусматривающий принятие решений (т.е. определение кодовых комбинаций, переносимых ЭП) раздельно по каждой ЭП этого сообщения, но с использованием информации, содержащейся в сигнале, принятом на интервале времени всего сообщения. Прием сообщения в целом с принятием решения так же в целом (обычно именуемый просто как прием сообщения в целом без уточнения, касающегося того, что принятие решения осуществляют также в целом) - способ декодирования сообщения, предусматривающий принятие единого решения об имеющей в этом сообщении место альтернативе последовательности ЭП (переносимых ими кодовых комбинаций) с использованием (как и в случае приема сообщения в целом с поэлементным принятием решения) информации, содержащейся в сигнале, принятом на интервале времени всего сообщения.
Сообщение может рассматриваться как последовательность его сравнительно коротких фрагментов. При этом каждый из них может рассматриваться как частное сообщение, в отношении которого применим способ приема в целом.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ передачи цифрового сообщения, в состав которого входит совокупность операций приема в целом в условиях многолучевого распространения, описанная в [4] (прототип); в основе этой совокупности операций лежит модифицированный алгоритм Кловского-Николаева (МАКН). В связи с краткостью приведенного в [4] описания прототипа при его описании ниже приведены материалы из источников [3 и 5], дополняющие описание, приведенное в [4]; все эти материалы, в частности совокупность операций, выполняемых в системе связи на ее передающей стороне, авторами публикации [4] подразумевались.
Для упрощения описания (в том числе и описания заявляемого способа) далее полагается, что форма импульсной реакции канала (ИРК) многолучевого распространения на приемной конце системы связи известна (в обеспечение ее измерения на передающей стороне на r=0-м такте работы системы формируется и передается испытательный импульс, форма которого на приемной стороне известна); кроме того, также для упрощения описания совокупность операций, обеспечивающих ее измерение на приемной стороне системы связи опускается. Аналогичное положение имеет место и в описании прототипа [4].
Принцип действия прототипа состоит в следующем. На передающей стороне системы связи осуществляются операции преобразования подлежащей передаче информации в поток ЭП и их собственно передача в эфир, т.е. преобразование электрических сигналов в колебания, например, гидроакустического или электромагнитного поля.
На приемной стороне осуществляется преобразование принимаемых колебаний гидроакустического или электромагнитного поля в электрические сигналы.
Предположение о том, какая из альтернатив последовательности ЭП принята, далее именуется гипотезой последовательности ЭП. При известной на приемном конце системы связи совокупности символов алфавита передаваемых сообщений форма принимаемого или наблюдаемого на интервале времени приема сообщения (ИВПС) сигнала, посредством которого передается все сообщение, при справедливости каждой из упомянутых гипотез известна. С учетом этого обстоятельства в прототипе по сигналу, наблюдаемому на каждом r-м такте ИВПС, применительно к каждой из совокупности гипотез последовательностей ЭП принимаемого сообщения (с учетом вычисленного на r-1-м такте массива решающих статистик (PC) поэлементного приема) формируют соответствующие этим гипотезам реализации остаточных и сопровождающих компонент ИП.
Пояснение терминологии. Остаточная компонента ИП (или остаточный сигнал МСИ) - помеха, имеющая место вследствие временного перекрытия с анализируемой ЭП тех ЭП, которые были переданы до нее; сопровождающая компонента ИП - помеха, имеющая место вследствие временного перекрытия с анализируемой ЭП тех ЭП, которые были переданы после нее [3, с. 193].
Весь ИВПС делится на такты, длительность каждого их которых равна сумме длительностей ЭП и ИРК, а временной интервал между моментами начала смежных по времени тактов равен длительности ЭП. Процесс (совокупность операций) обработки сигнала на интервале времени каждого r-го такта далее именуется r-м тактом работы системы связи или просто r-м тактом.
i
Решающая статистика (PC) - результат выполнения совокупности операций в общем случае пространственно-временной обработки сигналов. В каждой системе цифровой связи формируется массив PC, каждая из которых рассчитана (настроена) на прием конкретной альтернативы принимаемой ЭП. При этом массив PC используется непосредственно для принятия решения путем сравнения каждой сформированной PC с порогом и/или с прочими PC. В описании прототипа PC - результат расчета, расположенный в соотношения (1) в его фигурных скобках (см. также PC z, вычисляемые в соответствии с приведенным ниже выражением (1)).
PC поэлементного приема - есть PC, вырабатываемая в обеспечение поэлементного принятия решения.
На каждом r-м такте ИВПС осуществляют компенсацию в реализации сигнала, наблюдаемой на этом такте, каждого из сочетаний результатов формирования реализаций всех упомянутых выше компонент ИП.
Далее по наблюдаемому на ИВПС сигналу и каждому сочетанию определенных для соответствующей гипотезы последовательности ЭП компонент ИП в прототипе последовательно вычисляются PC поэлементного приема по каждой r-й ЭП сообщения (r=1…R - порядковый номер ЭП в сообщении). Далее при описании прототипа и заявляемого способа считаем, что операция формирования PC поэлементного приема включает в себя, в том числе, операцию формирования реализаций остаточных и сопровождающих компонент ИП, а также операцию компенсации в реализации сигнала, наблюдаемой на текущем такте каждого из сочетаний результатов формирования реализаций указанных компонент ИП.
По каждой из PC поэлементного приема реализуется поэлементное принятие решения.
Далее в прототипе вычисляется массив PC приема в целом, каждая из которых соответствует одной из гипотез последовательности ЭП принимаемого сообщения.
r ост
ir сопр
i
Ряд перечисленных выше операций прототипа математически описывается следующим образом. Пусть реализация остаточной компоненты ИП, вычисленная при принятии предположения о том, что все ЭП, принятые до момента начала анализа (декодирования) r-й ЭП, декодированы правильно, обозначена как q(t) (здесь индекс номера гипотезы последовательности ЭП в сообщении i опущен в связи с тем, что, как только что отмечено, все ЭП, принятые к моменту анализа i-й ЭП, считаются декодированными правильно, и при этом принятое по ним поэлементное решение в прототипе является единственным), а сопровождающей компоненты помехи - как q(t). В прототипе каждая i-я (при индексе i, изменяющемся в диапазоне значений от 1 до М, где М - возможное количество гипотез последовательностей ЭП в сообщении) PC приема в целом Z вычисляется как
э
э
где r - порядковый номер подинтервала анализа (или временной подинтервал, на котором расположена r-я ЭП), соответствующий r-му такту работы системы связи, причем величина r изменяется в диапазоне значений 1…R, где R - количество ЭП в сообщении; T - длительность одиночной ЭП, прошедшей многолучевой канал (равная сумме длительностей одиночной передаваемой ЭП и ИРК); T - период следования ЭП в сообщении (равный, как правило, длительности одиночной передаваемой ЭП T).
i
Каждый результат интегрирования в (1) есть PC поэлементного приема, а каждый результат суммирования (т.е. Z) - PC приема в целом.
i
Операция принятия решения о верности одной из гипотез последовательностей ЭП с использованием массива PC приема в целом Z предусматривает вычисление оценки  номера истинной гипотезы последовательности ЭП в принятом сообщении по формуле
i
т.е. номера (индекса) -той гипотезы, которой соответствует PC приема в целом Z наименьшего уровня.
Недостаток прототипа - сравнительно низкая помехоустойчивость приема (декодирования) - обусловлен следующим. Принцип его действия основан на том, что оценка энергии разностного сигнала при вычислении PC (см. формулу (1)), соответствующей действительно принятой альтернативе последовательности ЭП, меньше всех прочих PC только в смысле тренда, т.е. совсем не гарантировано. Это явление свойственно всем возможным вариантам формирования PC. Однако в данном случае указанный эффект проявляется в особой степени по следующей причине. В случае правильного угадывания принятой альтернативы последовательности ЭП имеет место совпадение сформированной временной реализацией ИП и ИП, являющейся компонентой принимаемой реализации сигнала; тогда при вычислении разностного сигнала ИП, являющаяся компонентой принимаемой реализации сигнала, компенсируется, и за счет этого энергия разностного сигнала уменьшается. Но при сравнительно малом отношении сигнал/шум указанная тенденция нередко (а, возможно, и, как правило) может быть нарушена. Данный негативный эффект обусловлен тем, что прием сообщений осуществляется при мешающем действии (наряду с ИП) также и фонового шума. В случае радиосвязи это может быть электрический шум входных цепей приемных станций, а в случае звукоподводной (гидроакустической) связи - шум моря. При этом (т.е. при малом отношении суммарного уровня принимаемого сигнала и ИП к уровню фонового шума) имеющая место при вычислении разностного сигнала компенсация ИП к существенному снижению уровня этого разностного сигнала не приводит, поскольку в таких условиях уровень разностного сигнала определяется уровнем не столько ИП, сколько фонового шума. Фоновый же шум при формировании разностного сигнала не компенсируется.
Целью заявляемого способа является повышение помехоустойчивости передачи.
Поставленная цель достигается тем, что в способе передачи цифровой информации, при реализации которого
на передающей стороне
- преобразуют подлежащую передаче последовательность информационных символов в поток информационных ЭП,
- преобразуют итоговый поток ЭП в колебания гидроакустического или электромагнитного поля,
на приемной стороне
- преобразуют принимаемые колебания гидроакустического или электромагнитного поля в электрические сигналы,
- по наблюдаемому на ИВПС сигналу применительно к каждой r-й информационной ЭП сообщения (r=1…R - порядковый номер информационной ЭП в сообщении) вычисляют PC поэлементного приема информационных ЭП,
- по каждой из PC поэлементного приема информационных ЭП реализуют поэлементное принятие решения,
- выполняют операцию принятия решения о верности одной из гипотез последовательностей информационных ЭП,
причем
на передающей стороне
- преобразуют подлежащую передаче последовательность информационных символов в избыточную ЭП,
- объединяют поток информационных и избыточную ЭП в итоговый поток ЭП,
на приемной стороне
- по наблюдаемому на ИВПС сигналу применительно к избыточной ЭП вычисляют PC поэлементного приема,
- по PC поэлементного приема избыточной ЭП реализуют поэлементное принятие решения,
- по совокупностям результатов формирования PC поэлементного приема информационных и избыточной ЭП находят номер той совокупности результатов формирования PC поэлементного приема, которая не содержит ошибок,
- операцию принятия решения о верности одной из гипотез последовательностей информационных ЭП выполняют на основании номера той совокупности результатов формирования PC поэлементного приема, которая не содержит ошибок.
Смысл изобретательского замысла, лежащего в основе заявляемого способа, состоит в использовании стандартного (произвольного) способа приема сообщения в целом с добавлением на передающей стороне системы операции формирования избыточной ЭП, обеспечивающей возможность обнаружения ошибок детектирования, а на приемной стороне - принятие решения о верности одной из гипотез последовательностей информационных ЭП на основе результата выполнения операции обнаружения ошибок детектирования (в прототипе же, как и во всех прочих аналогах, это решение принимается на основе анализа массива PC приема в целом; в заявляемом способе операция формирования массива PC приема в целом отсутствует).
Блок-схема, иллюстрирующая заявляемый способ, приведена на фиг. 1, где обозначены:
- 1 - преобразование подлежащей передаче последовательности информационных символов в поток информационных ЭП;
- 2 - преобразование подлежащей передаче последовательности информационных символов в избыточную ЭП;
- 3 - объединение потоков информационных и избыточной ЭП в итоговый поток ЭП;
- 4 - преобразование итогового потока ЭП в колебания гидроакустического или электромагнитного поля;
- 5 - преобразование принимаемых колебаний гидроакустического или электромагнитного поля в электрические сигналы;
- 6 - вычисление PC поэлементного приема по наблюдаемому на ИВПС сигналу применительно к каждой r-й информационной ЭП сообщения (r=1…R - порядковый номер информационной ЭП в сообщении),
- 7 - принятие решения по каждой из PC поэлементного приема последовательности информационных ЭП сообщения,
- 8 - вычисление PC поэлементного приема по наблюдаемому на ИВПС сигналу применительно к избыточной ЭП сообщения,
- 9 - принятие решения по PC поэлементного приема избыточной ЭП сообщения,
- 10 - нахождение по совокупностям результатов формирования PC поэлементного приема информационных и избыточной ЭП номера той совокупности результатов формирования PC поэлементного приема информационных ЭП сообщения, которая не содержит ошибок,
- 11 - принятие решения о верности одной из гипотез последовательностей информационных ЭП.
-1
Операция 1 (преобразование подлежащей передаче последовательности информационных символов в поток информационных ЭП) выполняется, например (см. [6, 7]), путем формирования по каждому из этих символов псевдослучайной последовательности (ПСП) с циклическим временным сдвигом (ЦВС), величина которого (в единицах, равных F с, где F - ширина полосы частот ПСП в Герцах) равна цифре, соответствующей подлежащему передаче цифровому информационному символу. Так, при передаче символа, например, Ω=5-разрядный бинарный код которого составляет «00010» (заметим, что бинарный код «00010» эквивалентен десятичному коду «002»), указанный ЦВС, вводимый в ПСП, составляет 2 единицы (размер единицы вводимого в ПСП ЦВС оговорен выше). Далее каждая сформированная таким образом ПСП умножается синусоидальный сигнал высокой (рабочей) частоты. Результатом этого умножения с участием каждой из указанных ПСП является соответствующая этой ПСП информационная ЭП. Между номером передаваемой альтернативы ЭП m и бинарным кодом соответствующего ей информационного символа имеется взаимно однозначное соответствие (это же относится и к избыточному символу).
Операция 2 (преобразование подлежащей передаче последовательности информационных символов в избыточную ЭП) состоит из следующих двух частных операций. При выполнении первой из них осуществляется преобразование последовательности информационных символов в избыточный символ, а второй - преобразование избыточного символа в избыточную ЭП. Вторая подоперация полностью совпадает с описанной выше операцией 1, причем при этом может использоваться та же таблица соответствия, что и при выполнении операции 1.
Частная операция преобразования последовательности информационных символов в избыточный символ (и далее в избыточную ЭП) обеспечивает возможность обнаружения ошибок детектирования (под ошибками детектирования понимаются ошибки принятия решений PC поэлементного приема последовательности информационных ЭП сообщения). В качестве такой операции может быть использована произвольная операции помехоустойчивого кодирования с обнаружением ошибок. Далее в качестве варианта такой частной операции рассматривается алгоритм (процедура) контрольного суммирования CRC (Cyclic redundancy code - циклический избыточный код) [8…11]. При реализации данной процедуры избыточным символом является так называемая контрольная сумма. Описания процедуры в широком диапазоне изменения разрядности контрольной суммы CRC приведены, например, в [11]. Рассматриваемая частная операция «…основывается на свойствах деления с остатком многочлена на многочлен. По сути, результатом контрольного суммирования CRC является остаток от деления многочлена, соответствующего исходным данным, на порождающий многочлен фиксированной длины» [8]. Этот же порождающий многочлен фиксированной длины имеется (т.е. известен) и на приемном конце системы передачи.
Таким образом, избыточный символ в данном случае есть указанный остаток от деления. Этот остаток от деления может формироваться на интервале передачи всего сообщения как один, так и несколько раз (при этом в первом случае упомянутыми исходными данными, которым соответствует многочлен, использующийся в качестве делимого, является массив данных всего сообщения, а во втором - подмассивы данных, сформированные путем дробления массива данных всего сообщения на эти непересекающиеся модмассивы). В настоящем описании (а также и в формуле изобретения) рассматривается пример выполнения заявляемого способа в варианте наличия одной избыточной ЭП, расположенной в итоговом потоке ЭП после последней (т.е. R-й) информационной ЭП.
ν
ν
p
При длине (разрядности) контрольной суммы, равной p, количество альтернатив избыточной ЭП m составляет V=2. Каждой m-й избыточной ЭП соответствует бинарный код, вырабатываемый при выполнении операции 2 (это код остатка от указанного в предыдущем абзаце деления).
В связи с тем, что, с одной стороны, подробная детализация (описание) процедуры контрольного суммирования CRC является весьма громоздкой, а, с другой стороны, эта процедура исчерпывающе описана в доступных источниках и известна специалистам (и широко используется в сетях обмена данными и в устройствах их хранения, для проверки информации на подлинность, а также защиты от несанкционированного изменения), эта подробная детализация в настоящем описании опущена, укажем лишь на то, что при наличии на ее входе потока информационных бинарных символов на ее выходе формируется бинарный код избыточного символа, равный указанной контрольной сумме.
В обеспечение пренебрежимо малой вероятности ошибок принятия решения по PC поэлементного приема избыточной ЭП, осуществляемого на приемной стороне, при выполнении частной подоперации преобразования последовательности информационных символов в избыточный символ в дополнение к указанным действиям может осуществляться операция кодирования этого символа с исправлением ошибок. При этом указанный избыточный символ дополняется бинарными символами, формируемыми в соответствии, например, с алгоритмом Рида-Соломона.
Операция 3 (объединение потоков информационных и избыточной ЭП в итоговый поток ЭП) реализуется путем запоминания совокупности информационных и избыточных ЭП и их последовательной выдачи (чтения) на вход устройства, выполняющего операцию 4 (преобразования итогового потока ЭП в колебания гидроакустического или электромагнитного поля). При этом последовательность указанной выдачи может быть произвольной; важно лишь, чтобы она была известна на приемном конце системы передачи (системы обмена данными). Как указано выше, для конкретности описывается пример выполнения заявляемого способа в варианте расположения избыточной ЭП в итоговом потоке ЭП после последней информационной ЭП.
Операция 4 (преобразование итогового потока ЭП в колебания гидроакустического или электромагнитного поля или, проще говоря, передача итогового потока ЭП), как правило, выполняется над аналоговыми сигналами. В итоге же выполнения описанной выше операции 3 формируются сигналы цифровые. В связи с этим подразумевается реализация операции аналого-цифрового преобразования (АЦП) либо как последней части операции 3 (при этом результатами выполнения операции 3 становится поток ЭП в аналоговом виде), либо как части операции 4 (при этом операция 4 начинается с АЦП). АЦП как самостоятельная операция заявляемого способа не рассматривается, поскольку с какими-либо функциональными преобразованиями информации она не связана.
Операция 4, например, в случае системы звукоподводной или гидроакустической связи реализуется гидроакустическим излучателем. Интервал времени передачи и приема одного блока ЭП (за вычетом времени распространения сигналов между точками передачи и приема) есть такт передачи и приема информации (т.е. такт работы системы связи).
Операция 5 (преобразование принимаемых колебаний гидроакустического или электромагнитного поля в электрические сигналы) в рассматриваемом примере системы звукоподводной связи предусматривает преобразование акустических колебаний водной среды в электрические сигналы. В этом случае она реализуется гидрофоном или, в более сложном случае, антенной решеткой, содержащей совокупность гидрофонов, совокупность линий задержки и сумматор (см. [12], рис. 1.5б, 1.6 и 1.7).
Операция 6 (вычисление PC поэлементного приема по наблюдаемому на ИВПС сигналу применительно к каждой r-й информационной ЭП сообщения (r=1…R - порядковый номер информационной ЭП в сообщении) состоит из трех фаз (подопераций) и выполняется, например, следующим образом.
r-1
r-1
r-1
r-1
Первая их упомянутых подопераций осуществляет формирование массива реализаций остаточной компоненты ИП. В ее основе, как и в основе соответствующей операции прототипа, лежит обратная связь по решениям (ОСР). Смысл применения ОСР в данном случае состоит в следующем. Для формирования остаточной компоненты ИП на каждом r-м такте ИВПС в рассматриваемой ситуации необходима информация о том, какая конкретно альтернатива ЭП была передана на r-1-м такте ИВПС. Именно ЭП, переданная на r-1-м такте ИВПС, частично перекрывается с ЭП, принимаемой на r-м такте ИВПС, т.е. именно она предопределяет форму подлежащей компенсации остаточной компоненты ИП. Эта информация вырабатывается путем принятия решения на основе PC поэлементного приема, выработанных на указанном r-1-м такте ИВПС. В заявляемом способе на каждом, в том числе, например, r-1-м такте ИВПС на основе PC поэлементного приема принимается совокупность из K>1 решений. При этом каждое k-е из этих решений есть предположительное решение о том, что на указанном r-1-м такте ИВПС принята  альтернатива ЭП; здесь m - номер альтернативы ЭП, причем m=1…M, где M - количество возможных альтернатив отдельной ЭП, k-индекс, равный порядковому номеру той из K PC поэлементного приема, которая отобрана в итоге выполнения операции 7 на r-1-м такте ИВПС (описание операции 7 приведено ниже).
r-1
r-1
kr-1
kr-1
kr-1
r-1
r-1
r-1
r-1
Другими словами, в заявляемом способе на каждом r-м такте формируется массив из K реализаций остаточной компоненты ИП . В обеспечение этого на каждом r-1-м такте формируется массив из K PC поэлементного приема, обозначаемых как PC (операция их формирования совпадает с таковой, реализуемой на каждом r-м такте, описанной ниже (см. описание второй подоперации, входящей в состав операции 6)). Каждой из этих PC соответствует  альтернатива ЭП. Т.е. наибольшая из указанных PC поэлементного приема, имеющая по определению ранг K, характеризуется индексом k=1, и ей соответствует  альтернатива ЭП, следующая PC поэлементного приема, имеющая ранг K-1, характеризуется индексом k=2, и ей соответствует  альтернатива ЭП и т.д.
э
Правило формирования каждой реализации  может быть, например, следующим. Пусть Sm(t) - временная реализация m-й альтернативы передаваемой ЭП, а  - временная реализация той альтернативы передаваемой ЭП, которая, в соответствии с результатом ОСР, принята на r-1-м такте работы системы. Тогда реализация подлежащей компенсации остаточной компоненты ИП, соответствующей этой  альтернативе ЭП, вычисляется (с учетом того, что ЭП, принятая на r-1-м такте, опережает ЭП, принятую на r-м такте, на время T) как
э
причем  при t<0 или при t>Т.
r-1
r-1
r-1
Принятие положения об известности ИРК (она измеряется заранее) означает известность характеризующих ее входящих в (3) таких параметров, как массивы из L (это количество приходящих в точку приема лучей) амплитуд лучей  и их задержек относительно луча, пришедшего в точку приема первым,  ( - номер луча). Вычисления реализаций остаточных компонент по формуле (3) производятся K раз, т.е. раздельно применительно к каждому из значений k=1…K.
r-1
В итоге выполнения описываемой подоперации на каждом r-м такте формируются K результатов компенсации остаточной компоненты ИП .
r-1
r-1
Входящая в состав операции 6 вторая подоперация обеспечивает компенсацию каждого из результатов формирования реализаций остаточной компоненты ИП. Она реализуется путем K-кратного (т.е. для каждого k в отдельности) вычисления разности вида
r
где S(t) - реализация сигнала, наблюдаемого на r-м такте работы системы.
r-1
В итоге выполнения этой второй подоперации на каждом r-м такте формируются K результатов компенсации остаточной компоненты ИП .
r
Входящая в состав операции 6 третья подоперация обеспечивает вычисление собственно массива PC поэлементного приема. Она реализуется, например, следующим образом. При известной (измеренной заранее) ИРК каждая m-я альтернатива передаваемой ЭП Sm(t), как и в прототипе, пересчитывается к точке приема (т.е. предсказывается) путем вычисления по следующей формуле (здесь индекс k опущен как не несущий при описываемом предсказании никакой информации)
m
Величина корреляции между каждым сформированным на r-м такте ИВПС результатом компенсации остаточной компоненты ИП  и опорной функцией, совпадающей с соответствующей (т.е. m-й при переборе всех значений m=1…M) альтернативой, принимаемой на этом такте ЭП y(t), определяется по формуле
r
r-1
r-1
r-1
r-1
r
k,r
Индекс k при величине вычисляемой на r-м такте PC (6) - номер этой PC. Всего таких PC на r-м такте PC вычисляется KM штук, т.е. эти PC вычисляются применительно к каждому из KM сочетанию индексов k и m (соотношение между индексами k и m, применительно к которому вычислена величина PC , и номером этой PC k - произвольное). Далее индекс, характеризующий номер m альтернативы ЭП, применительно к которой на r-м такте вычислена PC, уточняется как m.
ir сопр
r
Входящая в соотношение (4) временная реализация результата компенсации ИП (обозначенная как ) может, как и в прототипе (см. соотношение (1)), вычисляться с учетом также и сопровождающей компоненты ИП q(t). Данное уточнение не принципиально и поэтому для упрощения описания опускается. С другой стороны, при практическом отсутствии МСИ в процедуре (6) вместо реализации  может использоваться реализация наблюдаемого сигнала S(t), в которой ИП не компенсирована.
r
k,r
k,r-1
r-1
r
r-1
r
r
Операция 7 (принятие решения по каждой из PC поэлементного приема последовательности информационных ЭП сообщения) выполняется на каждом r-м такте путем отбора K наибольших по уровню PC поэлементного приема и запоминания соответствующих им индексов m и m. Указанный отбор осуществляется, например, следующим образом. Имеется (исходный) массив из KM РС поэлементного приема , сформированных на r-м такте. Путем сравнения всех KM PC указанного массива между собой определяется и запоминается отдельно от этого массива максимальная из них. При этом она из указанного массива удаляется. Далее процедура повторяется по отношению к массиву из KM-1 оставшихся PC и т.д. В итоге K-кратного выполнения указанной процедуры запомнены K PC, являющиеся в исходном массиве наибольшими по уровню (т.е. старшими членами вариационного ряда указанных PC). Имеются и варианты выполнения операции 7, являющиеся более экономичными по вычислительным затратам, чем описанный выше.
r
Индекс k (или k) при номерах (иди индексах) альтернатив ЭП m в ряде случаев опущен; его использование вызвано главным образом необходимостью нумерации PC, отобранных при выполнении операции 7 на каждом такте работы системы.
k,r
k,r-1
k,r
k,r-1
r-1
r
r
k,r
k,r-1
k,r
k,r-1
k,r
k,r-1
k,r
k,r-1
k,r
k,r-1
По поводу запоминания сочетаний индексов m и m (здесь несущей информацию парой являются индексы m и r). Каждому сочетанию индексов m и m, зафиксированных на r-м такте, соответствует сочетание (поэлементных) решений о том, что на r-1-м такте принята, возможно (предположительно), m-я альтернатива ЭП, а на r-м такте - также, возможно, m-я альтернатива ЭП (таких возможных или допустимых альтернатив ЭП на каждом r-м такте имеется K). При этом имеет место следующее условие возможности отнесения индексов m и m к указанному сочетанию. Индексы m и m считаются относящимися к указанному их сочетанию, если индекс m выработан на основе той PC, которая сформирована на r-м такте с использованием входящей в процедуру (6) той реализации , в расчете которой по формуле (4) использована та реализация , которая в свою очередь вычисленная по формуле (3) применительно к индексу  при сигнале , совпадающему с индексом m (другими словами, индексы m и m считаются относящимися к их сочетанию, если индекс m выработан или сформирован в итоге совокупности операций, в которой использована реализация остаточной компоненты ИП, вычисленная применительно к ЭП с индексом m).
k,r-1
k,r
Каждое сочетание индексов ЭП m и m может характеризовать возможный фрагмент последовательности ЭП в сообщении (в теории алгоритма Витерби каждая возможная последовательность ЭП всего сообщения именуется траекторией [13]; в связи с этим можно также говорить, что указанная пара индексов может характеризовать фрагмент траектории).
r
k,r-1
k,r
В итоге выполнения операции 7 зафиксированы (запомнены) K сочетаний (или пар) индексов m и m; фиксация каждой такой пары индексов означает, что возможная альтернатива фрагмента последовательность ЭП всего сообщения (этот фрагмент представляет собой подпоследовательность, состоящую из двух ЭП) содержит альтернативы ЭП, характеризуемые этими двумя индексами.
r-1
k,r-2
k,r-1
Операция 7 (как и предшествующие ей операции) реализуется на каждом такте работы способа. В связи с этим в итоге ее выполнения, например, на r-1-м такте зафиксированы (запомнены) K пар индексов m и m.
Операция 8 (вычисление PC поэлементного приема по наблюдаемому на ИВПС сигналу применительно к избыточной ЭП сообщения) выполняется аналогично операции 6, но при уточненных опорной функции и пределах интегрирования, а именно как
ν
где Y(t) - форма ν-й альтернативы избыточной ЭП, пересчитанная к точке приема аналогично (3), т.е. по формуле
ν
ν
где S(t) - форма ν-й альтернативы избыточной ЭП в точке передачи; ν=1…V. Номер (индекс) этой альтернативы избыточной ЭП обозначается как m.
R+1 ост
ν
э
Для повышения помехоустойчивости детектирования избыточной ЭП между моментами расположения R-й (т.е. последней) информационной ЭП и избыточной ЭП при выполнении операции 3 может быть введен защитный временной интервал шириной Δ, примерно равной длительности ИРК, чем обеспечивается отсутствие ИП на интервале приема избыточной ЭП. В этом случае вместо временной реализации сигнала δ(t) в (7) может (должна) фигурировать временная реализация сигнала S(t). При наличии указанного защитного временного интервала пределы интегрирования в (7) смещаются «вправо» на величину этого интервала (т.е. к каждому пределу прибавляется Δ), при этом временные границы R+1-го такта работы системы становятся равными RT+Δ…RT+T+Δ.
ν
ν,R+1
Расчет PC поэлементного приема избыточной ЭП z (например) по формуле (8) осуществляется на R+1-м такте работы системы для каждого значения индекса ν в диапазоне 1…V; при этом под PC поэлементного приема избыточной ЭП, вычисленной на этом R+1-м такте, понимается весь массив из V величин z при ν=1…V.
0
ν0
ν
0
Операция 9 (принятие решения по каждой из PC поэлементного приема избыточной ЭП сообщения) выполняется, например, следующим образом. На R+1-м такте работы системы выбирается тот индекс ν=ν, которому соответствует значение z, являющееся наибольшим по уровню среди всех значений z (здесь индекс R+1, характеризующий номер такта, на котором рассчитана PC поэлементного приема избыточных ЭП, опущен, поскольку при рассматриваемом варианте заявляемого способа в сообщении имеет место единственная избыточная ЭП, указанная PC вычисляется только на R+1-м такте работы системы). Индекс ν есть та цифра (бинарный код), по которой в совокупности с бинарными кодами каждой из возможных последовательностей информационных ЭП далее (в итоге выполнения операции 10) принимается решение о наличии/отсутствии ошибок детектирования этих последовательностей информационных ЭП.
0
Определенное таким образом значение индекса ν является результатом принятия решения по PC поэлементного приема избыточной ЭП сообщения.
k0
R+1
Операция 9 может выполняться также и аналогично операции 7, т.е. с формированием в итоге ее выполнения совокупности индексов ν, соответствующих K наибольшим по уровню PC поэлементного приема избыточной ЭП.
Операция 10 (нахождение по совокупностям результатов формирования PC поэлементного приема информационных и избыточной ЭП номера той совокупности результатов формирования PC поэлементного приема информационных ЭП сообщения, которая не содержит ошибок) включает несколько фаз и выполняется, например, следующим образом.
k,r-1
k,r
На первой фазе по сформированным в итоге выполнения операции 7 на всей совокупности R тактов ИВПС сочетаниям индексов (номеров альтернатив ЭП) m и m при r=1…R определяется совокупность возможных последовательностей ЭП в сообщении и этим возможным последовательностям ЭП (как и в прототипе) присваиваются индексы их номеров i. Каждая из возможных последовательностей ЭП в сообщении определяется путем сопоставления выработанных на R тактах совокупностей указанных пар (сочетаний) индексов (т.е. индексов m и r) и выбора тех последовательностей ЭП, каждая из которых, начинаясь на r=1-м такте, завершается на r=R-м, нигде не прерываясь.
k,r-2
k,r-1
k.r-1
k.r
k,r-1
k,r-1
k,r-1
k,r-1
k,r
Правило определения совокупности возможных последовательностей ЭП следующее. Пусть, например, на r-1-м такте сформированы сочетания индексов m и m, а на r-м такте - сочетания индексов m и m. Если при этом сформированный r-1-м такте индекс m не совпадает ни с одним из индексов m, сформированных на r-м такте, то последовательность ЭП, фрагмент которой включал альтернативу ЭП, индекс которой на r-1-м такте был определен как m, из дальнейшего рассмотрения исключается (т.е. по аналогии с терминологией теории алгоритма Витерби [13] соответствующая траектория выжившей не является). Здесь и далее под совпадением индексов m и m подразумевается их совпадение только в части индекса (номера) альтернативы ЭП m.
k,r-1
k,r-1
k,r-1
k,r-2
k,r-2
k,r
Если сформированный r-1-м такте индекс m совпадает с одним из индексов m, сформированных на r-м такте, то возможная последовательность ЭП, фрагмент которой включал альтернативу ЭП, индекс которой на r-1-м такте был определен как m, считается продолженной на r-й такт. При этом за ней (т.е. этой последовательностью) сохраняется тот номер или индекс i, под которым она была ранее продолжена на r-1-й такт за счет совпадения сформированного r-2-м такте индекса m с индексом m, сформированным r-1-м такте. При этом вычисленные на r-1-м и r-м тактах PC поэлементного приема, соответствующие указанным совпавшим индексам альтернатив ЭП, считаются соответствующими указанной продолженной на r-й такт возможной последовательности ЭП, т.е. входящими в нее. Сказанное относится и к соответствующим этим ЭП индексам m.
r-1
k,r-1
Если один из сформированных r-1-м такте индекс m совпадает с более чем одним (т.е. с ) из индексов m, сформированных на r-м такте, то реализуется увеличение имевшего место до констатации указанного совпадения индексов количества возможных последовательностей ЭП на , т.е. формирование  новых таких последовательностей с соответствующей их нумерацией. В остальном при  выполняются те же процедуры (только ), что и в ситуации, рассмотренной в предыдущем абзаце.
k,r
k,r,i
k,r
k,r,i
Каждый индекс m, входящий в i-ю последовательность ЭП (траекторию), уточняется как m. В соответствии с текстом предыдущего абзаца, один и тот же индекс m (соответствующая ему альтернатива ЭП) может входить в несколько последовательностей ЭП. Совокупность возможных последовательностей ЭП в сообщении есть совокупность выживших траекторий, каждая i-я из которых характеризуется массивом индексов {m}.
r
k,r,i
k,r,i
Описанная процедура определения совокупности возможных последовательностей ЭП принципиально практически совпадает с аналогичной процедурой, выполняемой в обеспечение вычисления формирования массива PC приема в целом в прототипе (описание этой операции, реализуемой в прототипе, в литературе отсутствует, но она является в прототипе, как и в любом ином варианте способа приема целом, ключевой, без этой операции его реализация невозможна). Единственной особенностью этой процедуры в заявляемом способе является то, что в итоге выполнения операции 7 на каждом r-м такте (эта процедура выполняется именно над результатами выполнения операции 7 на совокупности R тактов) ряд последовательностей ЭП из рассмотрения исключаются (удаляется), т.е. (в упомянутой терминологии теории алгоритма Витерби [13]) выжившими на каждом r-м такте являются не более чем K траекторий (гипотез последовательностей ЭП в сообщении). В итоге выполнения указанной процедуры (первой фазы операции 10) сформированы массивы возможных последовательностей или выживших траекторий, каждый i-й из которых содержит массив индексов {m}. Общее количество возможных последовательностей ЭП (оно далее обозначено как I) или массивов индексов {m} случайно.
k,r,i
r=1,i
r=2,i
r=R,i
На второй фазе выполнения операции 10 каждая i-я возможная последовательность ЭП или соответствующий ей массив индексов {m} преобразуется в соответствующий ему (этому массиву) i-й поток бинарных символов. При этом в случае Ω-разрядных информационных символов применительно к каждому номеру (индексу) i запоминается Ω-разрядный код символа, принятого на r=1-м такте (этому символу соответствует индекс m; здесь и далее индексы не несущие информации k опущены); далее к нему справа (т.е. со стороны его старшего разряда) «дописывается» Ω-разрядный код символа, принятого на r=2-м такте (этому символу соответствует индекс m) и т.д… и, наконец, последним аналогично «дописывается» Ω-разрядный код символа, принятого на r=2-м такте (этому символу соответствует индекс m). В итоге сформированы I информационных последовательностей, содержащих по RΩ бинарных символов каждая.
0
Наряду с указанной совокупностью информационных последовательностей имеется бинарный код контрольной суммы, соответствующей индексу ν, выработанному в результате выполнения операции 9 (рассматривается вариант реализации заявляемого способа, в котором в результате выполнения операции 9 формируется одно решение).
На третьей фазе операции 10 осуществляется проверка каждой i-й из I указанных сформированных возможных информационных последовательностей на наличие в них ошибок поэлементного приема информационных ЭП (т.е. ошибок детектирования). Для этого, в соответствии, например, с процедурой контрольного суммирования CRC осуществляют деление каждого i-го потока бинарных символов на тот же порождающий многочлен, что был использован при выполнении аналогичной процедуры при выполнении операции 2. В итоге такого деления каждого i-го потока бинарных символов сформирована соответствующая i-я контрольная сумма. Процедура формирования каждой контрольной суммы полностью совпадает с аналогичной процедурой (являющейся частью операции 2), описание которой опущено.
На четвертой фазе выполнения операции 10 вначале формируются результаты проверки каждой i-й из I указанных сформированных возможных информационных последовательностей на наличие в них ошибок поэлементного приема информационных ЭП. Для этого осуществляется сравнения каждой из указанных I контрольных сумм с бинарным кодом контрольной суммы, выработанных в итоге выполнения операции 9 (условно именуем ее опорной). Нахождение номера той совокупности результатов формирования PC поэлементного приема информационных ЭП сообщения (т.е. той из возможных последовательностей (информационных) ЭП сообщения), которая не содержит ошибок, осуществляется путем определения индекса , соответствующего тому из индексов i контрольных сумм, при котором имеет совпадение этой (т.е. i-й суммы) с опорной контрольной суммой.
k0
R+1
R+1
R+1
В варианте выполнения операции 9 аналогично операции 7 (т.е. с формированием в итоге ее выполнения совокупности индексов ν, соответствующих K>1 наибольшим по уровню PC поэлементного приема избыточной ЭП) формируется K опорных контрольных сумм, и индекс  определяется путем сравнения каждой из указанных выше I контрольных сумм с каждой из K опорных контрольных сумм. Вероятностью более чем однократного совпадения сравниваемых пар контрольных сумм можно пренебречь.
Операция 11 (принятие решения о верности одной из гипотез последовательностей информационных ЭП) предусматривает отбор и транслирование на выход способа  возможной последовательности (информационных) ЭП сообщения.
Все операции заявляемого способа реализуются универсальными программируемыми микропроцессорами. Возможно совмещение реализации нескольких операций способа в одном микропроцессоре.
Заявляемый способ, как и прототип, рассчитан на использование в синхронной системе связи. В такой системе на приемном конце известны моменты начала прихода каждой ЭП. Принципиально возможен, например, вариант работы передающей и приемной частей системы передачи в системе единого времени. При этом, что касается синхронизации работы устройств, реализующих операции обработки сигналов на приемном конце, то время распространения сигнала от передатчика до приемника известно, а в состав аппаратуры, реализующей операции приема, входит таймер, выдающий (генерирующий) синхросигналы, управляющие выполнением всех реализуемых при приеме операций.
Совокупность операций синхронизации в состав заявляемого объекта не включена, поскольку подавляющее большинство систем цифровой (дискретной) связи являются синхронными, а особенности заявляемого объекта с какой-либо спецификой указанной совокупности операций не связаны.
Приведенное выше описание совокупности признаков заявляемого способа фактически содержит и описание его работы в динамике.
Технический эффект в заявляемом способе (повышение помехоустойчивости передачи) за счет реализации выбора (принятия соответствующего решения) о верности одной из гипотез последовательностей информационных ЭП на основе выявления той из совокупности возможных последовательностей ЭП, которая (в соответствии с результатом применения процедуры помехоустойчивого кодирования, например, процедуры CRC) не содержит ошибок детектирования (т.е. ошибок принятых поэлементно решений). Ошибки при передаче данных в этом случае происходят по одной из следующих трех причин:
r
- среди совокупности возможных последовательностей ЭП та совокупность, которая в действительности не содержит ошибок детектирования, отсутствует (т.е. она по ошибке утрачена в процессе отбора K наибольших по уровню PC поэлементного приема при реализации операции 7 хотя бы на одном такте ИВПС);
ν0
- имеет место ошибочное определение индекса z (и в итоге ошибочное формирование опорной контрольной суммы) при выполнении операции 9;
- имеет место одновременно ошибки, оговоренные в двух приведенных выше дефисах, причем в из итоге одна из I контрольных сумм совпала с опорной контрольной суммой.
r
-p
-6
-10
Проблема с ошибками, обусловленными событием, указанным в первом дефисе в значительной степени преодолевается путем увеличения значений K. Проблема с ошибками, обусловленными событием, указанным во втором дефисе в значительной степени преодолевается путем применения при формировании избыточных ЭП кодирования с исправлением ошибок (подобная «зашита» совокупности всех информационных ЭП, которых сравнительно много, приведет к существенной потере скорости передачи; избыточная же ЭП всего одна на все сообщение). Вероятность события, указанного в третьем дефисе, равная 2, ничтожна (так, при p=20 или 32 указанная вероятность равна соответственно ≈10 или ≈10). Подобные перечисленным ресурсы снижения вероятностей ошибок в прототипе отсутствуют, чем и обусловлено достижение технического эффекта.
О критерии «изобретательский уровень». Заявляемый объект принципиально основан на способах приема в целом и помехоустойчивого кодирования с обнаружением ошибок, порознь известных. Вместе с тем, способ помехоустойчивого кодирования с обнаружением ошибок в известных объектах реализуется по отношению к единственной последовательности информационных ЭП и в итоге выдает решение лишь о том, имеются ли в этой последовательности ошибки или нет. В заявляемом же способе совокупность операций помехоустойчивого кодирования с обнаружением ошибок реализуется на приемной стороне системы передачи по отношению к совокупности из I>1 последовательностей информационных ЭП, чем в итоге обеспечивается существенное снижение вероятности ошибок. Т.е. в заявляемом способе совокупность операций помехоустойчивого кодирования с обнаружением ошибок фактически выполняет функцию, эквивалентную функции помехоустойчивого кодирования с исправлением ошибок. При этом процедура помехоустойчивого кодирования с исправлением ошибок характеризуется заведомо большим необходимым количеством избыточных ЭП (т.е. снижает скорость передачи в заведомо большей степени), чем процедура помехоустойчивого кодирования с обнаружением ошибок. Таким образом, примененное в заявляемом объекте сочетание двух известных технических решений связано, во-первых, с новым признаком (реализация проверки на наличие ошибок в каждой из совокупности из I>1 последовательностей информационных ЭП), а во-вторых, с новым эффектом.
Возможны варианты реализации заявляемого способа, предусматривающие, в частности, реализацию произвольной совокупности операций приема в целом. Все они должны рассматриваться как эквиваленты описанного выше варианта этого заявляемого способа.
Использованные источники
1. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. - М.: Сов. радио. 1970. - 728 с.: ил.
2. Кловский Д.Д., Широков С.М. Способ оптимального приема дискретных сообщений в целом. А.С. СССР №930696.
3. Зюко А.Г., Кловский Д.Д., Коржик В.И., Назаров М.В. Теория электрической связи. - М.: Радио и связь. 1999. - 432 с.: ил.
4. Алышев Ю.В., Борисенков А.В.. Кловский Д.Д., Николаев Б.И. Цифровая обработка сигналов при мягком декодировании в каналах с многолучевостью и перемежением кодовых символов // 4-я Международная конференция DSPA-2002 (http://www.autex.spb.ru/download/dsp/dspa/dspa2002/tom1_03.pdf).
5. Кловский Д.Д. Передача дискретных сообщений по радиоканалам. - М.: Радио и связь. 1982. - 304 с.: ил.
6. Николаев Р.П., Попов А.Р. Способ передачи информации в системе связи с шумоподобными сигналами. Патент РФ №2286017.
7. Озеров И.А., Озеров С.И. Способ передачи информации в системах связи с шумоподобными сигналами и программный продукт. Патент РФ №2277760.
8. Алгоритм контрольного суммирования CRC (http://all-ht.ru/inf/systems/p_0_13.html).
9. Ross N. Williams. Элементарное руководство по CRC алгоритмам обнаружения ошибок. (http://www.info-system.ru/library/algo/crc1.pdf).
10. Питерсон У., Уэлдон Э. Коды исправляющие ошибки. Пер. с англ. - М.: Мир. 1976. - 595 с.: ил.
11. Best CRC Polynomials. Koopman P, Carnegie Mellon University. (https://users.ece.cmu. edu/~koopman/crc/).
12. Смарышев М.Д., Добровольский Ю.Ю. Гидроакустические антенны. Справочник. - Л.: Судостроение. 1984.
13. Сергиенко А.Б. Цифровая связь. Учебное пособие. - СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012, 164 с.: ил.