Устройство синхронизации приёмной и передающей части радиолинии при использовании короткоимпульсных сверхширокополосных сигналов
APPARATUS FOR SYNCHRONIZING A RECEIVING AND TRANSMITTING PART OF A RADIO LINK USING SHORT-PULSE ULTRA-WIDEBAND SIGNALS

Предлагаемое устройство относится к техническим средствам, реализующим захват состояния синхронизма приёмной и передающей части беспроводных линий для осуществления успешного радиообмена короткоимпульсными сверхширокополосными сигналами без несущей.
Из теории и практики использования сложных, в частности, сверхширокополосных (СШП) сигналов в системах радиосвязи известно [1 – 3], что эффективность функционирования систем и средств, использующих такие сигналы для передачи информации, в большой степени определяется качеством синхронизации передающего и приёмного устройств радиолиний, так как они, как правило, разнесены в пространстве на значительные расстояния, а также могут применяться в мобильных беспроводных системах.
В научно-технической литературе, которая посвящена исследованиям радиотехнических систем и средств данного направления, условно принято в приёмном устройстве выделять две части: первую решающую схему, основной функцией которой является обнаружение сигналов, осуществление захвата состояния синхронизма; и вторую решающую схему, основной задачей которой является организация процесса различения информационных нулей и единиц и декодирование информации при условии, что сигнал обнаружен и достигнута необходимая для начала приёма информации точность синхронизации. Вариантам и особенностям, как первой, так и второй решающих схем посвящено множество трудов - диссертаций и монографий. Например, в монографии [1] полностью, а в монографии [2] частично исследуются вопросы обнаружения и синхронизации сложных шумоподобных сигналов. В той же монографии [2] другая часть исследований, а в книге [4] большинство глав посвящены анализу вариантов второй решающей схемы и т.д. Изобретение направлено на реализацию свойств первой решающей схемы с учётом особенностей режима функционирования второй решающей схемы.
В патенте [5] предложена полезная модель приёмопередающего модуля, использующего для радиообмена сверхширокополосные сигналы, формируемые кодовыми последовательностями одинаковой длины, содержащими по десять логических единиц, отстоящих друг от друга на разное число отсчётов. Кодовые последовательности, модулирующие информационные нули и информационные единицы одинаковы по содержанию, но отличаются периодом расстановки импульсов. При этом импульсы заполняются высокочастотным колебанием, то есть в канал связи поступают СШП сигналы, представляющие собой потоки радиоимпульсов различной скважности для информационных нулей и информационных единиц. В режиме приёма осуществляется амплитудное детектирование радиоимпульсов, при котором происходит их ограничение снизу по уровню нуля. Далее выделяют огибающие ограниченных радиоимпульсов и усиливают получившиеся видеоимпульсы, которые поступают на вход компаратора с целью получения нормированных прямоугольных импульсов, которые после прохождение RS-триггера выравниваются по длительности и становятся пригодными для обработки в интерфейсе, в частности, в синхронизаторе. На одном из выходов синхронизатора формируется цифровая последовательность, которая записывается в сдвиговый регистр и используется для проверки совпадений с заранее установленными кодовыми последовательностями. При определённом значении величины сдвига записанная в этот регистр последовательность цифровых данных обеспечит на соответствующем выходе схемы обработки максимальное значение выходного сигнала. Момент регистрации этого максимума и будет означать захват состояния синхронизма.
К недостаткам такого подхода можно отнести следующее. Ограничение радиоимпульсов снизу будет характеризоваться соответствующими энергетическими потерями. Различная скважность СШП сигналов приводит к более жёстким требованиям по обеспечению стабильности синхронизации. Проверка на каждом сдвиге условия совпадения полученной цифровой последовательности с известными кодовыми последовательностями приводит к увеличению времени захвата состояния синхронизма. Кроме того, заявленные качества обеспечиваются достаточно большим усложнением алгоритма обработки СШП сигналов.
В патентах [6 – 8] для захвата и удержания состояния синхронизма предложено использовать два независимых канала, один из которых служит для обработки СШП синхросигнала, второй – для обеспечения ускорения процесса синхронизации. Так в [6] временные интервалы между импульсами СШП синхросигнала, поступающего в первый канал, кратны периоду гармонического сигнала, приходящего одновременно на вход второго канала. При этом они синхронизированы в максимумах этого гармонического сигнала. Выделенный гармонический сигнал по цепи, сформированной в режиме приёма, синхронизирует частоту блока синхронизации с помощью встроенной системы импульсно-фазовой автоподстройке частоты (ИФАПЧ) с точностью до фазы, осуществляя захват состояния синхронизма. Основным недостатком здесь является тот факт, что такая система становится неработоспособной при воздействии внешних помех (заградительных, сосредоточенных, особенно гармонических с близкой частотой) на вход второго канала.
В [7] второй канал обеспечивает одновременный с СШП синхросигналом приём широкополосного (ШП) частотно- или фазоманипулированного радиосигнала. При этом моменты изменения частоты или фазы ШП сигнала соответствуют началу и концу временных окон, по центру которых располагаются импульсы СШП синхросигнала. Захват состояния синхронизма и его поддержание через заданные промежутки времени обеспечивается соответствующей обработкой ШП сигнала. Недостатком такой системы является нарушение её работоспособности в присутствии многолучёвости (в городах, пригородах, горах, предгорьях и т.д.).
В [8] предложена радиолиния с двумя приёмопередатчиками, расположенными на её противоположных концах. На основе собственных цифровых синтезаторов частот (ЦСЧ) с помощью ИФАПЧ передатчики и приёмники корреспондентов взаимно синхронизируют свои временные интервалы для передачи и приёма информации с точностью до фазы путём обработки каждый в своём временном интервале СШП синхросигналов, излучённых противоположными передатчиками. Повышенная точность взаимной синхронизации обеспечивается благодаря тому, что передатчик одного корреспондента и приёмник второго корреспондента начинают работать от одного генератора опорной частоты. Существенным недостатком работы такой объединённой системы является достаточно большое время вхождения в состояние синхронизма.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является приёмная часть приёмопередающего модуля, описанная в [9], на стр. 12, рис. 8 и рис.9, принятая за прототип.
Функциональная схема устройства-прототипа представлена на фиг. 1, где обозначено:
1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5 – управляемые формирователи временных окон (УФВО);
5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5 – с 1-го по 5-й импульсные энергетические накопители (ИЭН);
6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5 – с 1-го по 5-й формирователи порогов (ФП);
7.1, 7.2 7.3, 7.4, 7.5 – с 1-го по 5-й пороговые устройства (ПУ);
9 – блок обработки и управления (БОУ);
10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5 – с 1-го по 5-й накопители канальных энергий синхроимпульсов (НКЭСИ);
11 – управляемый генератор тактовых импульсов (УГТИ);
12 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
Устройство-прототип содержит пять идентично организованных сигнальных временных каналов (СВК), (первый из которых обозначен пунктирным прямоугольником), которые присутствуют в каждой ветви. Каждый из пяти СВК состоит из соответствующих последовательно соединенных УФВО 1.1 – 1.5, ИЭН 5.1 – 5.5, НКЭСИ 10.1 – 10.5 и ПУ 7.1 – 7.5. При этом первые входы УФВО 1.1 – 1.5 объединены и являются входом устройства, подсоединенным к антенному переключателю (на фиг. 1 не обозначен). Вторые входы каждого из пяти УФВО 1.1 – 1.5 подключены к соответствующим выходам УГТИ 11 и вторым входам соответствующих  ИЭН 5.1 – 5.5 и НКЭСИ 10.1 – 10.5. При этом выходы ПУ 7.1 – 7.5 соединены с соответствующими входами АЦП 12, выход которого соединен с входом БОУ 9. Пять выходов БОУ 9 через соответствующие ФП 6.1 – 6.5 соединены со вторыми входами ПУ 7.1 – 7.5 соответственно. Шестой выход БОУ 9 соединен с входом УГТИ 11. Седьмой выход БОУ 9 является выходом устройства.
Устройство-прототип работает следующим образом. Для обнаружения СШП сигнала и захвата состояния синхронизма используются первые три СВК. Полагаем, что после включения питания калибровка проведена и канальные ФП 6.1 – 6.5 выставили в ПУ 7.1 – 7.5 соответствующий энергетический порог. Далее смесь синхроимпульсов СШП сигнала и канального шума или одного канального шума с выхода антенного переключателя поступает на первые входы УФВО 1.1 – 1.5. Одновременно на вторые входы УФВО 1.1 – 1.5, вторые входы ИЭН 5.1 – 5.5 и вторые входы НКЭСИ 10.1 – 10.5 с соответствующих выходов УГТИ 11 поступают тактовые импульсы с известными задержками для формирования текущих временных окон УФВО 1.1 – 1.5 и тактирования временных промежутков, в течение которых осуществляется накопление смеси энергий синхроимпульсов СШП сигнала и канального шума или одного канального шума в НКЭСИ 10.1 – 10.5 СВК. Накопленная в НКЭСИ 10.1 – 10.5 на длительности СШП сигнала энергия синхроимпульсов поступает соответственно на входы ПУ 7.1 – 7.5, с выходов которых на соответствующие входы АЦП 12 поступают надпороговые накопленные в канальных энергетических накопителях энергии либо смеси синхроимпульсов СШП сигнала с канальным шумом, либо одного канального шума. Если СШП сигнал отсутствует, то накопленные в НКЭСИ 10.1 – 10.5 энергии не преодолеют выставленный в ПУ 7.1 – 7.5 энергетический порог, следовательно, с выхода АЦП 12 на вход БОУ 9 на этом такте поступит нуль, тогда с шестого выхода БОУ 9 на вход УГТИ 11 поступит сигнал, по которому УГТИ 11 осуществит заданную задержку тактовых импульсов, поступающих на вторые входы УФВО 1.1 – 1.5, ИЭН 5.1 – 5.5 и вторые входы НКЭСИ 10.1 – 10.5, и поиск СШП сигнала с целью его обнаружения и захвата состояния синхронизма продолжится так, как описано выше. Проделанные действия будут повторяться при каждой вновь введённой задержке тактовых импульсов УГТИ 11 до тех пор, пока на первые входы УФВО 1.1 – 1.5 не поступит смесь СШП сигнала с канальным шумом и величина энергии смеси синхроимпульсов СШП сигнала и канального шума, накопленной одним из трёх канальных энергетических накопителей за время, равное длительности СШП сигнала, не превысит величину энергетического порога, выставленного в ПУ 7.1 – 7.5. Очевидно, что каждый канальный энергетический накопитель представляет собой коррелятор, на выходе которого формируется соответствующая автокорреляционная функция (АКФ), максимум которой соответствует энергии всех обнаруженных и накопленных синхроимпульсов СШП сигнала. В последнем случае с выхода этого СВК на соответствующий вход АЦП 12 поступит накопленная надпороговая энергия принятой смеси синхроимпульсов СШП сигнала и канального шума, соответствующая максимуму АКФ, а на остальные его входы – нули. При этом с выхода АЦП 12 на вход БОУ 9 поступит оцифрованное значение АКФ соответствующего СВК. В БОУ 9 будет зафиксирован момент отсчёта максимума АКФ и определена величина и знак задержки в этом СВК, при которой получен этот отсчёт, а с шестого выхода БОУ 9 на вход УГТИ 11 поступит команда, по которой найденная задержка с соответствующих его выходов будет передана на вторые входы двух остальных СВК из трёх первых, а также четвёртого и пятого приёмных СВК с учётом их текущих задержек. На этом процесс захвата состояния синхронизма заканчивается и начинается процесс приёма СШП сигналов в четвёртом и пятом приёмных СВК. При этом, если СШП сигнал переходит из среднего из трёх первых СВК в предыдущий или последующий СВК, то БОУ 9 осуществляет подстройку фазы и частоты УГТИ 11 для компенсации полученного ухода, обеспечивая тем самым удержание состояния синхронизма. Четвёртый и пятый приёмные СВК находятся на фиксированных временных позициях, определяемых позициями модуляции информационных СШП сигналов.
Основным недостатком устройства-прототипа является достаточно большое время захвата состояния синхронизма, гораздо большее длительности СШП сигнала.
Задача – повышение скорости и точности обработки сверхширокополосных сигналов при упрощении устройства.
Для решения поставленной задачи в устройство, содержащее пять управляемых формирователей временных окон (УФВО), первые входы которых объединены и являются входом устройства, первый и второй импульсные энергетические накопители (ИЭН), формирователь порога, выход которого соединен со вторым входом первого порогового устройства, а также второе пороговое устройство и блок обработки и управления (БОУ), соответствующий выход которого соединен с входом формирователя порога, согласно изобретению, введены (n-5) управляемых формирователей временных окон, первые входы которых подсоединены к входу устройства, блок синхронизации, n выходов которого соединены со вторыми входами n УФВО соответственно, выходы n УФВО соединены с соответствующими входами мультиплексора, выход которого подсоединен к первому входу управляемого переключателя на два положения, первый и второй выходы которого соединены с первыми входами первого и второго импульсных энергетических накопителей (ИЭН) соответственно, выходы первого и второго ИЭН соединены с первыми входами первого и второго пороговых устройств соответственно, выходы первого и второго пороговых устройств подключены к первому и второму входам схемы объединения сигналов соответственно, при этом выход формирователя порога соединен со вторым входом второго порогового устройства, кроме того, выходы с первого по n-й блока обработки и управления соединены с третьими входами n УФВО соответственно, (n+1)-й выход БОУ соединен с входом блока синхронизации, (n+1)-й выход которого соединен с первым входом БОУ, второй вход которого подключен к выходу схемы объединения сигналов; (n+2)-й выход БОУ соединен со вторым входом управляемого переключателя на два положения, (n+3)-й выход соединен со вторым входом первого ИЭН, (n+4)-й выход – со вторым входом второго ИЭН, третий вход блока обработки и управления является входом-выходом устройства.
В заявляемом устройстве предлагается осуществить специфическую обработку СШП сигнала, в основу которой положен следующий алгоритм оконного накопления энергии:
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>E</mi><mrow><mtext>сс</mtext><mo>,</mo><mi>k</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mi>k</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mi>k</mi></msub><mo>+</mo><mi>ξ</mi></mrow></munderover><mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mtext>сс</mtext><mo>,</mo><mi>k</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>=</mo></mrow></mrow></mstyle><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mi>k</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mi>k</mi></msub><mo>+</mo><mi>ξ</mi></mrow></munderover><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>s</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mi>∞</mi></munderover><mrow><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>u</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mi>s</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mi>ν</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mstyle></mrow></mrow></mstyle><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mi>k</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mi>k</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>τ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></munderover><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>s</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mi>∞</mi></munderover><mrow><msubsup><mi>u</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mi>s</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mstyle></mrow></mrow></mstyle><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>+</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mi>k</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mi>k</mi></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>τ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></munderover><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>s</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mi>∞</mi></munderover><mrow><mn>2</mn><msub><mi>u</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mi>s</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mi>ν</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mstyle></mrow></mrow></mstyle><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mi>k</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mi>k</mi></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>τ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></munderover><mrow><msup><mi>ν</mi><mn>2</mn></msup><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mrow></mstyle><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>=</mo><msubsup><mi>E</mi><mrow><mtext>cc</mtext><mtext>,</mtext><mi>k</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>E</mi><mrow><mtext>cc</mtext><mtext>,</mtext><mi>s</mi><mi>h</mi><mtext>,</mtext><mi>k</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>E</mi><mrow><mi>s</mi><mi>h</mi><mtext>,</mtext><mi>k</mi></mrow><mtext>с</mtext></msubsup><mo>.</mo></mtd></mtr></mtable>
(3)
<mrow><msub><mi>E</mi><mrow><mtext>сс</mtext><mo>,</mo><mi>k</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msubsup><mi>E</mi><mrow><mtext>cc</mtext><mtext>,</mtext><mi>k</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>E</mi><mrow><mtext>cc</mtext><mtext>,</mtext><mi>s</mi><mi>h</mi><mtext>,</mtext><mi>k</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>E</mi><mrow><mi>s</mi><mi>h</mi><mtext>,</mtext><mi>k</mi></mrow><mtext>с</mtext></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>E</mi><mrow><mtext>сс</mtext><mo>,</mo><mi>k</mi></mrow></msub></mrow>
p
0
Здесь  - полная энергия, накопленная в k-м временном окне УФВО; - энергия импульса СШП синхросигнала, накопленная в этом временном окне; - взаимная энергия импульса и канального шума, накопленная в этом же временном окне; - энергия канального шума, накопленная на всей длительности k-го временного окна стека; k = 1, 2,…, n - количество УФВО в блоке, обслуживающих импульсные энергетические накопители (ИЭН), которые реализуют алгоритм (3); T = 2pτ – моменты начала накопления оконных энергий .
0
0
cp
cp
0
cc
<mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mtext>ср</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>N</mi><mrow><mtext>cc</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>p</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><msub><mi>N</mi><mrow><mtext>cc</mtext></mrow></msub></mrow></munderover><mrow><msub><mi>b</mi><mi>p</mi></msub><msub><mtext>τ</mtext><mn>0</mn></msub></mrow></mstyle></mrow>
Из анализа (3) следует, что длительность временного окна, в котором осуществляется накопление энергии смеси импульса СШП синхросигнала с канальным шумом или одного канального шума, равна 2τ. Временные окна в блоке УФВО сдвинуты друг относительно друга во времени на длительность одного окна 2τ и образуют стек, время одного цикла работы которого равно T. Очевидно, что количество УФВО в стеке определяется следующим образом: n = T/2τ, где - средний период повторения импульсов в СШП синхросигнале. Таким образом, за один цикл работы стека в среднем может быть обнаружена энергия смеси одного импульса СШП синхросигнала с канальным шумом в случае его присутствия на входе приёмного устройства, значит, в среднем за N+1 цикл работы такого стека все или большинство импульсов СШП синхросигнала будет обнаружено. Последовательной их оцифровкой, сравнением полученной последовательности импульсов с хранящейся копией СШП синхросигнала и весовой обработкой достигается поставленная цель.
Функциональная блок-схема заявляемого устройства представлена на фиг. 2, где обозначено:
1.1 – 1.n – управляемые формирователи временных окон (УФВО);
2 – мультиплексор (М);
3 – блок синхронизации (БС);
4 – управляемый переключатель на два положения (УП);
5.1, 5.2 – первый и второй импульсные энергетические накопители (ИЭН);
6 – формирователь порога (ФП);
7.1, 7.2 – первое и второе пороговые устройства (ПУ);
8 – схема объединения сигналов (СО);
9 – блок обработки и управления (БОУ).
Предлагаемое устройство содержит блок УФВО, состоящий из n управляемых формирователей временных окон (УФВО) 1.1 – 1.n, первые входы которых объединены и являются входом устройства. Выходы n УФВО 1.1 – 1.n подключены к соответствующим входам мультиплексора 2, выход которого соединен с первым входом управляемого переключателя на два положения 4, два выхода которого подсоединены к первым входам первого 5.1 и второго 5.2 ИЭН соответственно. Выходы первого 5.1 и второго 5.2 ИЭН через соответствующие первое 7.1 и второе 7.2 пороговые устройства соединены с первым и вторым входом схемы объединения сигналов 8 соответственно. При этом n выходов блока синхронизации 3 соединены со вторыми входами соответствующих УФВО 1.1 – 1.n, третьи входы которых подсоединены к n выходам блока обработки и управления 9 соответственно. Причем (n+1)-й выход БОУ 9 соединен с входом блока синхронизации 3, (n+1)-й выход которого соединен с первым входом БОУ 9. Кроме того, (n+2)-й выход БОУ 9 соединен со вторым входом УП 4, (n+3)-й выход – со вторым входом первого ИЭН 5.1, (n+4)-й выход соединен со вторым входом второго ИЭН 5.2, (n+5)-й выход – с входом формирователя порога 6, выход которого соединен со вторыми входами первого 7.1 и второго 7.2 ПУ. Выход СО 8 подключен ко второму входу БОУ 9, третий вход-выход является выходом-входом устройства.
0
0
Заявляемое устройство работает следующим образом. С момента поступления на вход-выход БОУ 9 сигнала включения питания приёмной части по заданному алгоритму осуществляется процесс калибровки, основной задачей которого является установка начальных (опорных) энергетических порогов в первом 7.1 и втором 7.2 ПУ. При этом с n+2-го выхода БОУ 9 на второй вход УП 4 поступает команда, по которой УП 4 начинает чередовать для разнесения во времени (осуществления задержки) два крайних положения, которым соответствуют первый и второй его выходы, с которых на первые входы первого 5.1 и второго 5.2 ИЭН через промежутки времени, равные длительности временных окон 2τ будет поступать смесь импульсов СШП синхросигнала и канального шума, либо одного шума также длительностью 2τ. Чередование переключений в процессе поиска СШП синхросигнала учитывает факт инертности процессов энергетического накопления в первом 5.1 и втором 5.2 ИЭН, что гарантирует минимизацию взаимного влияния этих процессов на длительности соседних временных окон стека УФВО. Одновременно на вторые входы первого 5.1 и второго 5.2 ИЭН поступает команда, по которой в них синхронно с открытием и закрытием соответствующих временных окон, формируемых УФВО 1.1 – 1.n, будет осуществляться операция накопления оконной энергии в соответствии с формулой (3). Накопленные за время длительности соответствующих временных окон энергии с выходов первого 5.1 и второго 5.2 ИЭН начнут поступать на первые входы первого 7.1 и второго 7.2 ПУ, у которых энергетические пороги имеют нулевое значение. С выходов первого 7.1 и второго 7.2 ПУ эти накопленные оконные энергии будут поступать на первый или второй входы схемы объединения сигналов 8 соответственно, с выхода которого они в виде развёрнутой во времени регулярной последовательности накопленных оконных энергий будут поступать на второй вход БОУ 9. В БОУ 9 осуществляются следующие операции: производится запись величин этих энергий в регистр заданной длины m и одновременно осуществляется оценка величины отношения последующего элемента последовательности к предыдущему.
0
Если в текущих временных окнах стека присутствует только канальный шум, то величина текущего отношения оконных энергий будет колебаться в небольших пределах. При заполнении всех m ячеек регистра шумовыми энергиями с их использованием осуществляется оценка величины опорного энергетического порога П, и по команде, поступающей с выхода n+5 БОУ 9 посредством ФП 6 в первый 7.1 и второй 7.2 ПУ будет введён этот опорный порог. Если СШП синхросигнал в канале отсутствует, то с заданной периодичностью опорный порог обнуляется, описанная выше процедура повторяется путём перезаписи новых данных в m ячеек регистра и новой оценки величины опорного порога, которая вводится в первом 7.1 и втором 7.2 ПУ. Далее могут реализоваться две ситуации:
- в течение перезаписи данных в m ячеек регистра, когда пороги в первом 7.1 и втором 7.2 ПУ обнулены, величина текущего отношения оконных энергий резко увеличилась;
- после записи (перезаписи) данных в m ячеек регистра, когда выставлен текущий опорный порог в первый 7.1 и второй 7.2 ПУ, в какой-то момент величина текущего отношения оконных энергий резко увеличилась, а порог был превышен либо в первом 7.1, либо во втором 7.2 ПУ.
Оба варианта означают, что в течение текущего временного окна стека в смеси с канальным шумом появился импульс СШП синхросигнала, который назовём опорным. При этом в первом случае дополнительной операцией будет выставка в первый 7.1 и второй 7.2 ПУ предыдущего уровня опорного порога. Далее в обоих случаях, операции совпадают и выполняются одновременно:
- оцифровка поступившей с выхода СО 8 на второй вход БОУ 9 величины;
- определение временной позиции опорного импульса СШП синхросигнала.
Одновременно с выхода СО 8 на второй вход БОУ 9 поступает последовательность накапливаемых надпороговых энергий смеси импульсов СШП синхросигнала и канального шума. Её элементы также оцифровываются и превращаются в энергетические отсчёты, величина, количество и временные позиции которых фиксируются.
Если количество энергетических отсчётов, соответствующих надпороговым энергиям смеси импульсов СШП синхросигнала и канального шума и их местоположение при любых временных сдвигах не совпадают с количеством и местоположением импульсов в имеющейся копии СШП синхросигнала, то осуществляется переход в исходное состояние поиска СШП синхросигнала, которое было описано выше. В противном случае оцифрованная последовательность надпороговых энергий подвергается соответствующей обработке, в результате которой в БОУ 9 осуществляется определение величины и знака временной задержки δt с использованием алгоритма оценки и сравнения величин надпороговых энергий, попадающих в соседние временные окна стека. Найденная задержка вводится в выбранный УФВО стека для захвата состояния синхронизма и приёма в текущих временных окнах этого УФВО информационных СШП сигналов.
На этом основную задачу, возлагаемую на устройство синхронизации можно считать решённой.
<mover accent="true"><mi>q</mi><mo>¯</mo></mover>
<mrow><msub><mi>E</mi><mrow><mtext>сс</mtext></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>s</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><msub><mi>n</mi><mrow><mtext>cc</mtext></mrow></msub></mrow></munderover><mrow><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>u</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo>−</mo><mn>2</mn><mi>s</mi><msub><mi>τ</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mi>ν</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><msub><mi>E</mi><mrow><mtext>сс</mtext></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msubsup><mi>E</mi><mrow><mi>s</mi><mi>h</mi><mtext>,</mtext><mi>k</mi></mrow><mrow><mi>s</mi><mi>h</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>E</mi><mrow><mi>s</mi><mi>h</mi><mtext>,</mtext><mi>k</mi></mrow><mtext>с</mtext></msubsup></mrow>
/
0
сс,k
0
На фиг. 3 в качестве примера представлены результаты моделирования некоторых этапов процесса захвата состояния синхронизма, реализуемых предлагаемым устройством при среднем оконном энергетическом отношении сигнал/шум ≈ 5,5 (7,4 дБ). Фиг. 3а) характеризует ситуацию, когда информационные СШП сигналы принимаются без введения необходимой задержки. Здесь чёрным цветом показаны текущие значения эквивалентов энергий смеси импульсов СШП синхросигнала и канальных шумов , а серыми жирными прямоугольниками обозначены позиции текущих временных окон стека УФВО. На фиг. 3а) выделен крупный фрагмент фиг. 3а), из анализа которого следует, что каждый импульс СШП синхросигнала попадает во временные окна соседних УФВО стека, следовательно, возможен вариант, когда в некоторых из этих временных окон накопленной энергии смеси импульсов СШП синхросигнала с канальными шумами не хватит для превышения опорного энергетического порога П, что может привести к пропуску СШП синхросигнала. Чтобы обеспечить накопление энергии импульсов СШП синхросигнала, достаточной для превышения цифрового порога суммой накопленных отсчётов надпороговых энергий, необходимо скорректировать позицию текущего временного окна, вводя необходимую временную задержку. Момент ввода этой задержки в выбранный УФВО стека и будет моментом захвата состояния синхронизма. На фиг. 3б) представлен центральный фрагмент реализации алгоритма оценки величины и знака необходимой задержки, когда в соответствующих временных окнах стека на фоне текущих значений  показаны вычисленные значения отсчётов оцифрованных в БОУ 9 оконных энергий смеси импульсов СШП синхросигнала и канальных шумов E(заполненные кружочки) и оконных энергий шума во временных окнах, сдвинутых относительно временных окон стека на некоторую величину  (пустые квадраты), а также для сравнения – оконных энергий шума в ИЭН  (заполненные ромбики) на своих временных позициях. Жирной чёрной штриховой горизонтальной линией показан текущий опорный энергетический порог П. Изображение на фиг. 3в) характеризует эффективность алгоритма определения величины и знака вводимой задержки. Здесь следует заметить, что при моделировании удобнее было задерживать СШП синхросигнал, а не временное окно, что не меняет сути и отражено на фиг. 3в). Как следует из анализа фиг. 3в), после введения в k-й УФВО найденной задержки импульсы информационного СШП сигнала позиционируются практически точно посредине текущих временных окон, следовательно, состояние синхронизма было достигнуто, а точность синхронизации составляет не более 3,0% от длительности импульса СШП сигнала.
ср
Статистический анализ ситуаций, аналогичных представленным на фиг. 3, в условиях меняющейся помеховой обстановки совместно с описанием работы предлагаемого устройства показывает, что среднее время с момента обнаружения опорного импульса СШП синхросигнала до момента начала приёма информационных СШП сигналов составляет величину около (N+1)Т с, что гораздо меньше, чем у прототипа и меньше, чем у любого из приведённых выше аналогов и, таким образом, подтверждает, что достижение заявленного технического результата предлагаемым устройством обеспечивается.
Реализация заявляемого устройства не вызывает затруднений, так как функциональные узлы, входящие в блоки устройства, общеизвестны, широко используются в отечественных и зарубежных патентах, а также описаны в технической литературе. Практически все блоки, кроме мультиплексора 2, СО 8, УП 4 описаны в [6] и [9]. Варианты исполнения мультиплексоров приведены, например, в [10], схем объединения сигналов – в [11], а варианты реализации блоков переключения с управлением представлены, в частности, в [12, 13].
Источники информации.
1. Журавлёв, В.И. Поиск и синхронизация в широкополосных системах / В.И. Журавлёв. – М.: Радио и связь, 1986. – 240 с.
2. Варакин, Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами / Л.Е. Варакин. – М.: Радио и связь, 1985. – 384 с.
3. Иванов, М.М. Методы синхронизации в сверхширокополосных системах связи. / М.М. Иванов и др. // 51-я научная конференция аспирантов, магистров и студентов БГУИР, Новополоцк. – 2015, с. 43, 44.
4. Зюко, А.Г. Помехоустойчивость и эффективность систем передачи информации. / А.Г. Зюко, А.И. Фалько, И.П. Панфилов, В.Л. Банкет, П.В. Иващенко. – М.: Радио и связь, 1985. – 272 с.
5. Патент 157935 (РФ). Приёмопередающий модуль для обмена данными с помощью сверхширокополосных сигналов. МПК Н04В 1/38, H04L 9/00 / Зайцев А.В., Митрофанов Д.Г., Тимофеев И.А., Красавцев О.О., Кичулкин Д.А., Терещенко А.А., Азаров В.С., Черников А.К., Чижов А.А. Заявка №2014147229/08 от 24.11.2014. Опубл. 20.12.2015 г.
6. Патент 2315424 (РФ). Система связи с высокой скоростью передачи информации сверхширокополосными сигналами. МПК Н04B  1/69,  H04L 5/26 / Бондаренко В.В., Кыштымов Г.А., Бондаренко В.В., Кыштымов С.Г. Заявка №2006119887/09 от 06.06.2006. Опубл. 20.01.2008 г.
7. Патент 2354048 (РФ). Способ и система связи с быстрым вхождением в синхронизм сверхширокополосными сигналами. МПК Н04B  7/00 / Кыштымов Г.А., Бондаренко В.В., Кыштымов С.Г. Заявка №2007144256/09 от 28.11.2007. Опубл. 27.04.2009 г.
8. Патент 2441320 (РФ). Система связи сверхширокополосными сигналами с повышенной точностью и стабильностью синхронизации. МПК Н04B  7/00 / Кыштымов Г.А., Усачёв И.П., Кыштымов С.Г., Стецура Е.И. Заявка №2010119288/08 от 13.05.2010. Опубл. 27.01.2012 г.
9. Корниенко А.В. Алгоритмы синтеза и обработки короткоимпульсных сверхширокополосных сигналов в радиосистемах передачи информации с учётом мешающих факторов. / Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук. – Рязань. – 2008. – С. 17.
10. Гольденберг, Л.М. Импульсные устройства / Л.М. Гольденберг. – М.: Радио и связь, 1981. – 224 с.
11. Мэндл, М. 200 избранных схем. Пер. с англ. под ред. д-ра техн. наук Я.С. Ицхоки / М. Мэндл. – М.: Мир, 1980. – 344 с.
12. Горшков, Б.И. Радиоэлектронные устройства / Б.И. Горшков. – М.: Радио и связь, 1984. – 400 с.
13. Пухальский, Г.И. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах. Справочник. / Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. – М.: Радио и связь, 1990. – 304 с.