УСТРОЙСТВО ДЛЯ СИНХРОНИЗАЦИИ М-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ
DEVICE FOR SYNCHRONISATION OF M-SEQUENCE

Изобретение относится к устройствам для синхронизации псевдошумового сигнала (ПШС) и может быть использовано для установления начальной синхронизации приемника и передатчика.
Известно устройство для синхронизации M-последовательности, содержащее последовательно соединенные фильтр нижних частот, двухпороговый решающий элемент, блок формирования оценок, блок управления, генератор тактовых импульсов, генератор псевдошумового сигнала, блок коммутации, вычислитель, блок логики и блок вынесения решений (патент SU 1003355, МПК H04L 7/10, G01R 25/00, 1983).
Недостатком устройства являются его ограниченные функциональные возможности обеспечивать синхронизацию ПШС при больших отношениях сигнал-шум на входе устройства, в то время как параметры помехи могут изменяться в широком диапазоне.
Наиболее близким известным техническим решением к предлагаемому в качестве прототипа является устройство для синхронизации M-последовательности, содержащее вычислитель и фильтр нижних частот, вход которого объединен с первым входом решающего блока и является входом устройства, выход фильтра нижних частот через последовательно объединенные двухпороговый решающий элемент и формирователь оценок сигнала подключен к первому входу блока управления и к информационному входу регистра сдвига, при этом к тактовым входам регистра сдвига, генератора псевдошумового сигнала, формирователя оценок сигнала и блока управления подключен выход генератора тактовых импульсов, при этом первый выход блока управления подключен к входам установки нуля триггера признака синфазности и регистра сдвига, второй выход блока управления соединен с управляющим входом первого блока коммутации, третий выход блока управления связан с управляющими входами второго блока коммутации и вычислителя, к сигнальному входу которого через первый блок коммутации подключен первый выход регистра сдвига, при этом его остальные выходы через первый блок коммутации подключены к соответствующим входам вычислителя, выходы которого подключены к входам дешифратора коэффициентов полинома обратной связи, выход которого соединен с единичным входом триггера признака синфазности, причем выходы регистра сдвига, кроме n+1, через второй блок коммутации подключены к информационным входам генератора псевдошумового сигнала, выход которого подключен к информационному входу ключа, а его выход является выходом устройства и соединен со вторым входом решающего блока, при этом к управляющему входу ключа подсоединен единичный выход триггера признака синфазности, нулевой выход которого подключен к четвертому входу блока управления (патент SU 1195468, МПК H04L 7/10, 1985).
Недостатком прототипа является большое время синхронизации при малых отношениях сигнал-шум на входе устройства, что приводит к необходимости многократного повторения процедуры переприема синхронизирующей M-последовательности и увеличению общего времени синхронизации.
Задачей изобретения является уменьшение времени синхронизации M-последовательности псевдошумового сигнала за счет оперативного анализа автокорреляционной функции M-последовательности этого ПШС.
Технический результат состоит в том, что сокращается число переборов ячеек памяти анализатора автокорреляционной функции ПШС.
Сущность изобретения заключается в том, что в известное устройство для синхронизации M-последовательности, содержащее вычислитель и фильтр нижних частот, вход которого объединен с первым входом решающего блока и является входом устройства, выход фильтра нижних частот через последовательно объединенные двухпороговый решающий элемент и формирователь оценок сигнала подключен к первому входу блока управления и к информационному входу регистра сдвига, при этом к тактовым входам регистра сдвига, генератора псевдошумового сигнала, формирователя оценок сигнала и блока управления подключен выход генератора тактовых импульсов, при этом первый выход блока управления подключен к входам установки нуля триггера признака синфазности и регистра сдвига, второй выход блока управления соединен с управляющим входом первого блока коммутации, третий выход блока управления связан с управляющими входами второго блока коммутации и вычислителя, к сигнальному входу которого через первый блок коммутации подключен первый выход регистра сдвига, при этом его остальные выходы через первый блок коммутации подключены к соответствующим входам вычислителя, выходы которого подключены к входам дешифратора коэффициентов полинома обратной связи, выход которого соединен с единичным входом триггера признака синфазности, причем выходы регистра сдвига, кроме n+1, через второй блок коммутации подключены к информационным входам генератора псевдошумового сигнала, выход которого подключен к информационному входу ключа, а его выход является выходом устройства и соединен со вторым входом решающего блока, при этом к управляющему входу ключа подсоединен единичный выход триггера признака синфазности, нулевой выход которого подключен к четвертому входу блока управления, введены блок анализа автокорреляционной функции M-последовательности и элемент ИЛИ на два входа, выход которого подключен к третьему управляющему входу блока управления, первый и второй входы элемента ИЛИ подсоединены к выходам соответственно решающего блока и блока анализа автокорреляционной функции, первый вход которого соединен с входом первого блока коммутации, второй и третий входы блока анализа автокорреляционной функции подключены соответственно к первому и второму информационным выходам регистра сдвига, четвертый вход блока анализа автокорреляционной функции подключен к выходу формирователя оценок сигнала, а пятый вход блока анализа автокорреляционной функции соединен с первым выходом блока управления.
Введение в прототип блока анализа автокорреляционной функции M-последовательности и элемента ИЛИ на два входа позволяет устройству при наличии ошибок в ПШС переходить к анализу следующих n символов на интервале до n+1 символа, а не 2n символов, как в прототипе, где n - длина синхронизирующей M-последовательности ПШС. В связи с тем, что предлагаемое устройство имеет отличительные от прототипа существенные признаки, оно удовлетворяет критерию «новизна».
Новым в изобретении является то, что предлагаемое устройство для синхронизации M-последовательности содержит блок анализа автокорреляционной функции M-последовательности и элемент ИЛИ на два входа, выход которого подключен к третьему управляющему входу блока управления, первый и второй входы элемента ИЛИ подсоединены к выходам соответственно решающего блока и блока анализа автокорреляционной функции, первый вход которого соединен с входом первого блока коммутации, второй и третий входы блока анализа автокорреляционной функции подключены соответственно к первому и второму информационным выходам регистра сдвига, четвертый вход блока анализа автокорреляционной функции подключен к выходу формирователя оценок сигнала, а пятый вход блока анализа автокорреляционной функции соединен с первым выходом блока управления, что обеспечивает уменьшение времени синхронизации M-последовательности псевдошумового сигнала.
На фиг.1 представлена структурная электрическая схема устройства для синхронизации M-последовательности, на фиг.2 - схема блока анализа автокорреляционной функции M-последовательности.
На фиг.1 показано, что устройство для синхронизации M-последовательности содержит фильтр 1 нижних частот; двухпороговый решающий элемент 2; формирователь 3 оценок сигнала; блок 4 управления; генератор 5 тактовых импульсов; генератор 6 псевдошумовых сигналов (ПШС); первый блок 7 коммутации; регистр 8 сдвига; второй блок 9 коммутации; вычислитель 10; дешифратор 11 коэффициентов полинома обратной связи; триггер 12 признака синфазности; ключ 13; решающий блок 14; блок 15 анализа автокорреляционной функции (АКФ) M-последовательности и элемент 16 ИЛИ на два входа.
На фиг.2 показано, что блок 15 анализа АКФ M-последовательности содержит первый элемент ИЛИ-НЕ 17, первый элемент И 18, RS-триггер 19, второй элемент ИЛИ-НЕ 20, второй элемент И 21, счетчик 22 по модулю n/2+1, третий элемент ИЛИ-НЕ 23, третий элемент И 24, четвертый элемент ИЛИ-НЕ 25.
Устройство для синхронизации M-последовательности работает следующим образом.
В исходном состоянии триггер 12 признака синфазности находится в нулевом состоянии и с нулевого выхода триггера 12 на четвертый вход блока 4 управления поступает потенциал логической единицы. На первом, втором и третьем выходах блока 4 управления, а также на первом входе блока 15 анализа АКФ M-последовательности установлен сигнал логического нуля.
j
При поступлении на вход устройства ПШС фильтр 1 нижних частот обеспечивает фильтрацию символов принимаемого ПШС из шума, двухпороговый решающий элемент 2 вырабатывает сигнал +1, если выходной сигнал фильтра 1 нижних частот больше положительного порога. Двухпороговый решающий элемент 2 вырабатывает сигнал - 1, если сигнал на выходе фильтра 1 нижних частот меньше отрицательного порогового уровня, и решающий элемент 2 формирует свой выходной сигнал 0, если сигнал на выходе фильтра 1 нижних частот не превышает положительный порог, но больше отрицательного порога. Формирователь 3 оценок сигнала формирует логическую единицу и логический нуль в момент поступления тактового импульса с выхода генератора 5 тактовых импульсов. Если в тактовый момент сигнал с выхода фильтра 1 нижних частот не превышает положительный порог, но больше отрицательного порога двухпорогового решающего элемента 2, т.е. он выработал сигнал 0, то в формирователе 3 оценок сигнала оценка не формируется и происходит стирание ненадежного элемента принимаемого ПШС. Сформированные в формирователе 3 оценки принимаемого ПШС a, j=1, 2, …, 2n, поступают на вход блока 4 управления, на четвертый вход блока 15 анализа автокорреляционной функции M-последовательности, записываются в ячейки памяти регистра 8 сдвига.
При приеме ПШС возможны ошибки, которые могут обнаруживаться или не обнаруживаться. Если в формирователе 3 оценок сигнала оценка не формируется, то происходит стирание ненадежного элемента принимаемого ПШС. В этом случае на первый вход блока 4 управления оценка не поступит. Это приведет к уничтожению всех ранее принятых элементов, и блок 4 управления начинает новый подсчет количества поступающих оценок ПШС. Это первый наиболее простой вариант реакции устройства синхронизации M-последовательности на ошибочную оценку принимаемого ее элемента.
Второй вариант ошибки - трансформация символа, то есть прием нуля вместо единицы или наоборот. В этом случае принимаемая последовательность не будет обладать характеристиками M-последовательности, ее автокорреляционная функция при сдвиге на один такт не будет равна - 1. Это обнаруживается в блоке 15 анализа АКФ M-последовательности. Для анализа необходимо и достаточно n+1 подряд принятых элементов ПШС, поскольку длина последовательности равна n и плюс сдвиг на один такт, всего n+1 оценок (и тактов работы).
Из теории анализа случайных событий известно, что значение АКФ, сдвинутой на один такт M-последовательности, всегда равно -1, то есть число посимвольных несовпадений на интервале n+1 исходной и сдвинутой на один такт M-последовательностей будет на единицу больше половины длины этой последовательности, то есть n/2+1. Длины M-последовательностей имеют фиксированные значения: 7, 15, 31, 63 и т.д., для них число несовпадений n/2+1 должно быть соответственно 4, 8, 16, 32 и т.д. Коэффициент счета (модуль) счетчика 22 (фиг.2) в блоке 15 анализа АКФ M-последовательности должен иметь такие значения. Этот факт заложен в основу функционирования предлагаемого устройства.
Рассмотрим возможные результаты анализа АКФ в блоке 15. В случае отсутствия ошибки в приеме M-последовательности на интервале n+1 оценок (тактов работы) значение АКФ, сдвинутой на один такт M-последовательности, должно быть равно -1, устройство должно продолжить прием до 2n оценок, вычислить коэффициенты обратной связи, сформировать синфазную M-последовательность и поддерживать ее формирование до логического завершения приема информации.
При искажении принимаемой M-последовательности ее АКФ изменится: количество посимвольных несовпадений исходной и сдвинутой на один такт принятых последовательностей, равное n/2+1, произойдет ранее интервала n+1 или, наоборот, позднее. Устройство в этом случае должно завершить прием и перейти к анализу следующих 2n оценок. Выигрыш во времени по сравнению с прототипом довольно значительный - почти на n+1 тактов на интервале 2n, т.е. практически в два раза при большой длине M-последовательности.
i
Возможен вариант, когда значение АКФ, сдвинутой на один такт ошибочно принятой последовательности, тоже равно -1. Вероятность такого события мала, но в случае его наступления устройство должно продолжить прием до 2n оценок как в прототипе и перейти к решению системы линейных уравнений (1). Коэффициенты h, i=1, …, n, полученные в результате решения системы уравнений (1), не совпадут с заданными, блок 4 управления в этом случае перейдет к приему новой серии 2n оценок ПШС. Выигрыша во времени наступления момента синхронизма нет, устройство функционирует аналогично прототипу.
1
В блоке 15 анализ АКФ M-последовательности происходит следующим образом. Первая сформированная оценка a поступает на единичный вход RS-триггера 19 (четвертый вход блока 15 анализа АКФ M-последовательности), устанавливает его в единичное состояние, высокий потенциал его выхода открывает второй элемент И 21 для подсчета числа несовпадений счетчиком 22 по модулю n/2+1 исходной и сдвинутой на один такт принимаемой последовательности. При этом исключается возможность работы счетчика 22 несовпадений, поскольку на первом такте еще нет сдвинутой последовательности.
i
При поступлении второй и последующих сформированных оценок aRS-триггер 22 свое состояние не изменяет. Начиная со второго, на каждом такте с первого и второго информационных выходов регистра сдвига 8 оценки поступают на первый и второй входы первых элементов ИЛИ-НЕ 17 и И 18 (соответственно со второго и третьего входов блока 15). Если оценки не совпадают, на выходе первого элемента ИЛИ-НЕ 17 формируется низкий потенциал (логический ноль), на выходе второго элемента ИЛИ-НЕ 20 - высокий потенциал, который открывает элемент И 21, на счетный вход счетчика 22 по модулю n/2+1 поступает очередной импульс.
Если оценки совпадают, то либо на выходе первого элемента ИЛИ-НЕ 17 (при комбинации 0-0), либо на выходе первого элемента И 18 (при комбинации 1-1) формируется высокий потенциал (логическая единица), в результате на выходе второго элемента ИЛИ-НЕ 20 - низкий потенциал, который закрывает элемент И 21, счетчик 22 не изменяет свое состояние.
В предлагаемом устройстве блок 15 анализа АКФ работает следующим образом. В случае отсутствия ошибки в приеме M-последовательности на интервале n+1 оценок в счетчике 22 по модулю n/2+1 будет записано число n/2+1, высокий потенциал с его выхода поступает на второй и первый входы элементов ИЛИ-НЕ 23 и И 24 соответственно, а на другие их входы - высокий потенциал со второго выхода блока управления 4, который появляется при поступлении n+1 оценок. В результате на выходе элемента И 24 появляется высокий, а на выходе элемента ИЛИ-НЕ 25 (и на выходе блока 15 анализа АКФ) - низкий потенциал, элемент И 16 не срабатывает и устройство продолжает прием следующих оценок до значения 2n.
При искажении принимаемой M-последовательности в счетчике 22 по модулю n/2+1 будет записано число n/2+1, допустим, ранее окончания интервала n+1. Высокий потенциал с его выхода поступает на второй и первый входы элементов ИЛИ-НЕ 23 и И 24 соответственно, а на других их входах - низкий потенциал со второго выхода блока управления 4 (первый вход блока 15 анализа АКФ). В результате на выходе элемента И 24 появляется низкий, а на выходе элемента ИЛИ-НЕ 25 (и на выходе блока 15 анализа АКФ) - высокий потенциал, который поступает на первый вход элемента ИЛИ 16 и далее на третий вход блока 4 управления. С первого выхода блока 4 управления импульс поступает на вход установки нуля триггера 12 признака синфазности, на вход установки нуля регистра 8 сдвига, пятый вход блока 15 анализа автокорреляционной функции M-последовательности и устанавливает их в нулевое состояние. Устройство прекращает текущий прием и переходит к следующей серии из n+1 оценок, которая продолжается до 2n в случае положительного результата анализа АКФ M-последовательности в блоке 15.
В случае, если к моменту поступления n+1 оценки в счетчике 22 по модулю n/2+1 не будет записано число n/2+1 (т.е. его заполнение должно произойти позднее окончания интервала n+1), на его выходе и на втором и первом входах элементов ИЛИ-НЕ 23 и И 24 соответственно будет низкий, а на других входах элементов - высокий потенциал со второго выхода блока управления 4 (первый вход блока 15 анализа АКФ). В результате на выходе элемента И 24 появляется низкий, а на выходе элемента ИЛИ-НЕ 25 (и на выходе блока 15 анализа АКФ) - высокий потенциал, который поступает на первый вход элемента ИЛИ 16 и далее на третий вход блока 4 управления. Устройство, как и в предыдущем случае, прекращает текущий прием и переходит к следующей серии из n+1 оценок, которая продолжается до 2n в случае положительного результата анализа АКФ M-последовательности в блоке 15.
2n
2n-1
n+1
n
Если из 2n подряд принятых элементов ПШС ни один не будет стерт, то в вычислитель 10 через 2n тактов работы поступят оценки a, a, …, a, a и в вычислителе 10 будет сформирована система линейных уравнений вида:
1
n
где h, …, h - неизвестные, которые являются коэффициентами полинома обратной связи генератора ПШС.
2n
2n-1
n+1
2n
2n-1
n+1
Кроме того, через 2n тактов работы блока 4 управления на третьем выходе блока 4 управления появится нулевой потенциал, который поступит на управляющий вход второго блока 9 коммутации, разрешая тем самым запись оценок a, a, …, a, которые являются последними n оценками принимаемого ПШС из 2n принятых в генератор 6 ПШС. С n выходов регистра 8 сдвига, т.е. со всех, кроме последнего n+1 выхода, n оценок a, a, …, a через открытый второй блок 9 коммутации поступает на информационные входы генератора 6 ПШС.
i
После поступления 2n оценок второй блок 9 коммутации закрывается и на его выходах будут сформированы нули, и с этого момента генератор 6 ПШС начинает генерировать M-последовательность. Этот же сигнал с блока 4 управления поступает на управляющий вход вычислителя 10. В нем осуществляется решение системы линейных уравнений (1). Если система линейных уравнений (1) решена верно, т.е. коэффициенты h (i=1, …, n), полученные в результате решения этой системы уравнений (1), совпадают с заданными, то на выходе дешифратора 11 коэффициентов полинома обратной связи появляется положительный сигнал, который поступает на единичный вход триггера 12 признака синфазности и устанавливает его в единичное состояние. Положительный потенциал с единичного выхода триггера 12 признака синфазности поступает на управляющий вход ключа 13, разрешая тем самым прохождение опорного ПШС с выхода генератора 6 ПШС через ключ 13 на выход устройства синхронизации. Нулевой потенциал с нулевого выхода триггера 12 признака синфазности поступает на четвертый вход блока 4 управления, запрещая тем самым дальнейший подсчет оценок принимаемого ПШС. Процесс формирования синфазного ПШС заканчивается.
i
В случае маловероятного события, когда значение АКФ сдвинутой на один такт ошибочно принятой последовательности тоже равно -1, устройство продолжает прием до 2n оценок и переходит к решению системы линейных уравнений (1). Коэффициенты h, i=1, …, n, полученные в результате решения этой системы линейных уравнений (1), не совпадут с заданными, триггер 12 признака синфазности остается в нулевом состоянии, следовательно, ключ 13 будет закрыт и опорная M-последовательность, которая в этом случае является не синфазной с принимаемой, не пройдет на выход ключа 13. Блок 4 управления и в этом случае продолжает прием и подсчет новой серии 2n оценок ПШС. Через n тактов в вычислителе 10 будет сформирована новая система линейных уравнений (1), а в генератор 6 ПШС запишется новое начальное состояние, начиная с которого он будет генерировать новую M-последовательность и так до тех пор, пока система линейных уравнений (1) не будет решена верно.
Синфазный ПШС с выхода ключа 13 поступает также и на второй вход решающего блока 14, который в данном случае выполняет роль детектора синфазности. В том случае, если по какой-либо причине произойдет сбой синхронизации, то на выходе решающего блока 14 появится положительный потенциал, который поступает на первый вход элемента ИЛИ 16 и далее на третий вход блока 4 управления. С первого выхода блока 4 управления импульс поступает на вход установки нуля триггера 12 признака синфазности, на вход установки нуля регистра 8 сдвига, пятый вход блока 15 анализа автокорреляционной функции M-последовательности и устанавливает их в нулевое состояние. Ключ 13 закрывается и опорная M-последовательность не поступает на выход устройства. Блок 4 управления начинает подсчет новой серии из 2n подряд следующих оценок принимаемого ПШС, и процесс установления синхронизации начинается сначала.
Таким образом, решение о том, что принимаемый и опорный ПШС будут синфазны, выносится как бы в два этапа. На первом этапе длительностью до n+1 оценок анализируется АКФ принятой последовательности. Если она не удовлетворяет свойствам M-последовательности, серия бракуется и осуществляется переход к следующей оценке и так до приема 2n неискаженных подряд следующих оценок. В случае наличия ошибок в ПШС время их обнаружения сокращается до n+1 вместо 2n оценок, что выгодно отличает предлагаемое устройства от прототипа.
Промышленная осуществимость изобретения обосновывается тем, что в нем использованы известные в аналоге и прототипе узлы и блоки по своему прямому функциональному назначению. В организации-заявителе изготовлена модель заявленного устройства в 2013 году.
Положительный эффект от использования изобретения состоит в том, что повышается почти в два раза оперативность синхронизации M-последовательности при условии, что ее длина n>>1. Это подтверждается выражением вида:
Выражение (2) характеризует сравнительную оценку оперативности работы предлагаемого устройства при наличии ошибок в ПШС, когда необходимо переходить к анализу следующих n символов на интервале до n+1 символа, а не 2n символов как это имеет место в прототипе, где n - длина синхронизирующей M-последовательности ПШС.