Способ тактовой цифровой синхронизации
DIGITAL CLOCK SYNCHRONIZATION METHOD

Изобретение относится к области передачи дискретной информации и может быть использовано для тактовой цифровой синхронизации сигналов в системах телекодовой связи и управления.
При передаче сигнала по каналам связи возможны искажения из-за воздействия помех, как естественного, так и антропогенного происхождения, особенностей распространения радиоволн, интерференции лучей, замираний и многих других причин. Искажения сигнала при его демодуляции могут приводить к дроблениям и искажениям фронтов посылок. На выходе демодулятора будут присутствовать не только фронты неискаженных посылок, но и ложные фронты, соответствующие дроблениям посылок и искажению фронтов. Процесс установления и поддержания требуемых фазовых соотношений между фронтами переданных и принятых посылок цифровых сигналов называется тактовой синхронизацией. Правильному установлению тактовой цифровой синхронизации в значительной степени препятствует наличие ложных фронтов посылок на приемной стороне и недостаточно стабильная частота генераторов на передающей и приемной сторонах системы связи. Установление истинного положения фронтов неискаженных посылок позволяет регенерировать посылки без дроблений и краевых искажений фронтов, снизить вероятность битовых ошибок, а значит, увеличить вероятность доведения сообщений.
При двоичной модуляции передают два сигнала. Первый сигнал соответствует передаче нулевой посылки, и второй сигнал соответствует передаче единичной посылки. Для первого и второго сигнала известны эталонные нулевые и единичные посылки без искажений. В предлагаемом способе для определения фазы фронтов неискаженных посылок выполняется сравнение эталонных посылок с принятыми посылками, взятыми в различной фазе в скользящем окне приема. Сравнение эталонных посылок и принятых посылок эквивалентно вычислению функции корреляции между последовательностью эталонных посылок и принятых посылок. Фаза фронтов посылок, при которой функция корреляции достигает наибольшего значения, то есть принятые посылки в наибольшей степени похожи на эталонные посылки, будет фазой фронтов неискаженных посылок. Определение фазы посылок по величине функции корреляции обладает высокой надежностью в условиях нестационарного канала низкого качества и обеспечивает наилучшее соотношение между достоверностью принятия решения и временем его принятия. Отличительной особенностью является несущественная зависимость точности синхронизации от характера передаваемого сообщения, то есть в последовательности цифровых сигналов могут быть довольно длинные серии нулевых и единичных сигналов. Способ может применяться для тактовой цифровой синхронизации как по специальной служебной последовательности типа меандра, содержащей наибольшее число фронтов, так и для синхронизации по рабочей информации. В последнем случае при передаче рабочей информации выполняют постоянное уточнение и подстройку фазы фронтов неискаженных посылок.
Известен способ тактовой цифровой синхронизации, при котором на выходе демодулятора сначала определяют фронты двоичных посылок, по которым затем формируют короткие импульсы. Эти импульсы далее сравнивают с синхроимпульсами, и сигналы расхождения между синхроимпульсами и принимаемыми двоичными посылками усредняют по последовательности двоичных посылок и затем, в зависимости от величины усредненных сигналов расхождения, добавляют или исключают синхроимпульсы, подстраивая фазу синхроимпульсов под фазу фронтов двоичных посылок. (Скляр Бернард Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, Пер. с англ. - М.: Издательский дом Вильямс. - 2003. - с. 648-650).
Недостатками этого способа являются чрезмерно большое время установления синхронизации и недостаточное время поддержания синхронизации при перерывах связи. Частично указанные недостатки могут быть ослаблены, например, введением переменного шага коррекции фазы и специальной системы отключения коррекции фазы в периоды замираний.
Известен также способ цифровой тактовой синхронизации, при котором сначала по сигналам на выходе демодулятора определяют фазы фронтов принятых двоичных посылок, значения которых преобразуют в цифровую форму и последние n фаз фронтов двоичных посылок запоминают. Затем эти n фаз фронтов двоичных посылок анализируют по статистическому критерию, выносят решение о наличии или отсутствии сигнала в канале связи и вырабатывают оценку фазы фронтов неискаженных двоичных посылок. Далее в соответствии с этой оценкой формируют синхроимпульсы, фаза которых совпадает с оценкой фазы фронтов неискаженных двоичных посылок, а период следования синхроимпульсов совпадает с длительностью принимаемых двоичных посылок. (Побережский Е.С. Цифровые радиоприемные устройства. - М.: Радио и связь. - 1987. - с. 123-125).
Недостатком этого способа является невысокая достоверность и оперативность установления тактовой синхронизации из-за невозможности принимать решения в условиях недостаточного числа фронтов двоичных посылок или при замираниях сигнала в канале связи. Недостатком также является большое число вычислительных операций при оценке фазы фронтов неискаженных двоичных посылок по статистическому критерию, например по критерию Неймана-Пирсона, что приводит к усложнению технической реализации.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ (прототип) тактовой цифровой синхронизации, при котором сначала по сигналам на выходе демодулятора определяют фазы фронтов принятых двоичных посылок. Затем последние n фаз фронтов принятых двоичных посылок анализируют по статистическому критерию, выносят решение о наличии или отсутствии сигнала в канале связи и строят гистограмму распределения n фаз фронтов принятых двоичных посылок. При построении гистограммы распределения фаза последнего фронта двоичных посылок с выхода демодулятора добавляется в гистограмму распределения, а фаза фронта двоичных посылок предшествующего n фронтам посылок перед последним фронтом удаляется из гистограммы распределения. Далее по гистограмме распределения определяют оценку фазы фронтов неискаженных двоичных посылок. (Патент РФ №2693196 МПК G06K 7/016, H04L 1/00, Квашенников В.В., Егоров М.В. Способ тактовой цифровой синхронизации. - Приор. 17.09.2018. - опубл. 01.07.2019. - Бюл. №19).
Недостатком этого способа является недостаточно высокая точность установления тактовой синхронизации в нестационарном канале связи низкого качества, в котором возможно дрожание фронтов входных двоичных посылок при многолучевом распространении радиоволн, замираниях и нестабильности задающих генераторов.
Целью изобретения является повышение точности установления тактовой синхронизации за счет сравнения принятых двоичных посылок и эталонных двоичных посылок, что позволяет поддерживать синхронизацию даже при довольно длинных сериях нулей и единиц в передаваемой информации. Кроме того, способ имеет простую реализацию, использующую только несложные операции сравнения и сложения.
Для достижения цели предложен способ тактовой цифровой синхронизации, при котором сначала по сигналам на выходе демодулятора определяют фазы фронтов принятых двоичных посылок. Затем последние n фаз фронтов принятых двоичных посылок анализируют по статистическому критерию, выносят решение о наличии или отсутствии сигнала в канале связи и строят гистограмму распределения принятых двоичных посылок в зависимости от фазы двоичной посылки. При построении гистограммы распределения последняя двоичная посылка с выхода демодулятора добавляется в гистограмму распределения, а двоичная посылка, предшествующая n двоичным посылкам перед последней двоичной посылкой, удаляется из гистограммы распределения. Далее по гистограмме распределения определяют оценку фазы фронтов неискаженных двоичных посылок. Новым является то, что строят гистограмму суммарных достоверностей последних n принятых двоичных посылок в зависимости от фазы двоичных посылок. По гистограмме достоверностей принятых двоичных посылок определяют фазу фронтов принятых двоичных посылок, при которой достигается максимальное значение суммарной достоверности последних n принятых двоичных посылок и далее, эту фазу принимают как оценку фазы фронтов неискаженных двоичных посылок. Причем достоверности принятых двоичных посылок определяют сравнением принятых двоичных посылок с эталонными нулевыми и единичными двоичными посылками. При этом вычисление достоверностей принятых двоичных посылок выполняют по таблице, входом которой являются отсчеты принятых двоичных посылок, а выходом - значения достоверностей нулевых или единичных принятых двоичных посылок. Причем, значения суммарных достоверностей принятых двоичных посылок хранятся по адресу, относительным адресом которого является фаза фронтов принятых двоичных посылок. При этом значение суммарной достоверности посылок вычисляют с учетом достоверности нулевой принятой двоичной посылки, если значение этой достоверности больше достоверности единичной принятой двоичной посылки, и с учетом достоверности единичной принятой двоичной посылки, если значение этой достоверности больше достоверности нулевой принятой двоичной посылки.
Предлагаемый способ тактовой цифровой синхронизации реализуется следующим образом.
Система телекодовой связи и управления включает в себя передающую и приемную стороны и канал связи, по которому передают сигнал, соответствующий цифровому сообщению. Тактовую цифровую синхронизацию выполняют на приемной стороне по сигналам с выхода демодулятора. Сигналы на выходе порогового элемента демодулятора преобразуют в цифровую форму. Для этого длительность Τ одной двоичной посылки делят на m временных интервалов длительности τ (τ<Т) каждый. В пределах каждого интервала τ принимают решение о его полярности. Двоичная посылка на выходе демодулятора задается m отсчетами в течение ее длительности
а
i
=0, 1, i=0, 1, …, m-1.
Для достаточно точного задания двоичной посылки число отсчетов в течение длительности посылки обычно не превышает величины m=16…24.
i
i
Фронтом двоичной посылки считают переход сигнала из уровня логического нуля в уровень логической единицы и обратно. Временной интервал в пределах одной посылки задают его фазой, которая может принимать значения ϕ=0, τ/m, 2τ/m, …, (m-1)τ/m. Фаза фронта равна ϕ, если справедливо
а
a
i
i+1
=⊕1,
где ⊕ - сумма по модулю два.
Это означает, что при переходе от i-го отсчета в пределах одной посылки к (i+1)-мy отсчету происходит изменение уровня сигнала. Истинные фронты соответствуют границам неискаженных двоичных посылок, а ложные фронты - смене полярности внутри посылки. Ложные фронты возникают в результате краевых искажений и дроблений двоичных посылок.
При тактовой цифровой синхронизации фазы неискаженных посылок могут принимать одно из m возможных значений 0, 1, …, m-1. Для каждого из этих m значений фазы выбираются эталонные посылки для нулевой посылки и для единичной посылки. Всего будет 2m эталонных посылок, каждая из которых задается m отсчетами
ij
ij
0, 1, i,j=0, 1, …, m-1.
Принятая с выхода демодулятора посылка также задается т отсчетами
a
i
, i=0, 1, …, m-1.
Достоверность принятой посылки определяется сравнением ее с эталонными посылками.
Сравнение с нулевыми эталонными посылками
Сравнение с единичными эталонными посылками
После этого строят гистограмму суммарных достоверностей последних n принятых двоичных посылок в зависимости от фазы двоичных посылок. Достоверности определяются суммарным количеством дроблений и искажений краев в последних n принятых посылках. Причем, дробления и искажения краев берутся с учетом их веса. Если длительность дробления составляет t отсчетов в пределах посылки, то такое дробление считается как t дроблений единичной длительности. Краевое искажение рассматривается как дробление, расположенное на границе посылки. В качестве оценки фазы принимается значение фазы, при которой суммарное число дроблений и искажений в последних n посылках будет иметь минимальную величину, а, значит, достоверность посылок - максимальную величину. Достоверность двоичных посылок определяется числом неискаженных отсчетов в пределах посылки. Вес двоичной посылки w определяется числом отсчетов единичного уровня в пределах посылки. При весе посылки 0≤w<m/2 считается, что передавалась нулевая посылка, достоверность которой d=m/2-w, а при весе посылки m≥w≥m/2 - передавалась единичная посылка и достоверность ее d=w-m/2.
Значения w=0 и w=m будут соответствовать наиболее достоверным нулевой или единичной посылкам. Определение достоверностей принятых двоичных посылок наиболее просто выполняется по таблице, входом которых являются отсчеты принятых двоичных посылок, а выходом - сами достоверности.
Суммарная достоверность двоичных посылок в пределах скользящего окна приема длительности n посылок характеризует достоверность принятой последовательности посылок. Суммарную достоверность посылок вычисляют с учетом достоверности нулевой принятой двоичной посылки, если значение этой достоверности больше достоверности единичной принятой двоичной посылки. При значении достоверности единичной принятой двоичной посылки больше достоверности нулевой принятой двоичной посылки, суммарную достоверность посылок вычисляют с учетом достоверности единичной принятой двоичной посылки. Значения суммарных достоверностей принятых двоичных посылок удобно сохранять в оперативном запоминающем устройстве по адресу ν+ϕ, относительным адресом ϕ которого является фаза фронтов принятых двоичных посылок. Фаза неискаженных двоичных посылок есть значение фазы, при которой достигается максимальная суммарная достоверность рассматриваемой последовательности последних n двоичных посылок.
После определения фазы фронтов неискаженных двоичных посылок, восстановление посылок может осуществляться одним из известных методов, например методом укороченного контакта, методом интегрального приема или методом интегрального приема в скользящем окне.
Помимо значений двоичных посылок способ также определяет достоверности посылок, которые можно использовать при мягком декодировании помехоустойчивых кодов, защищающих передаваемое сообщение. Это существенно повышает вероятность доведения сообщения.
Достигаемым техническим результатом предложенного способа является повышение точности установления тактовой синхронизации за счет сравнения принятых двоичных посылок и эталонных двоичных посылок, определения достоверности последовательности двоичных посылок и выбора фазы двоичных посылок, соответствующей наиболее достоверной последовательности двоичных посылок.