СПОСОБ И УСТРОЙСТВО СИНХРОНИЗАЦИИ И УСТРАНЕНИЯ ФАЗОВОЙ НЕОДНОЗНАЧНОСТИ СИГНАЛОВ СИСТЕМ СВЯЗИ С ВРЕМЕННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ
METHOD AND APPARATUS FOR SYNCHRONISATION AND ELIMINATION OF PHASE AMBIGUITY OF SIGNALS OF COMMUNICATION SYSTEMS WITH CHANNEL TIME-DIVISION

Изобретение относится к области цифровой техники и может быть использовано при обработке сигналов систем связи с фазовой модуляцией, использующих многостанционный доступ с временным разделением каналов.
Подавляющее большинство современных систем спутниковой и наземной связи используют передачу информации в цифровом виде. Для обеспечения одновременной работы большого числа абонентов чаще всего используют многостанционный доступ с частотным (МДЧР) или временным (МДВР) разделением. В последние годы системы связи с МДВР активно развиваются. МДВР широко применяется в мобильной связи, беспроводных компьютерных сетях, мультимедийных спутниковых системах связи со сверхмалой апертурой антенн (VSAT). Это связано с такими достоинствами временного разделения, как:
- более полное использование частотного ресурса по сравнению с МДЧР;
- возможность работы с ретранслятором в режиме насыщения;
- возможность гибкого динамического перераспределения пропускной способности системы связи между абонентами.
Как правило, в системах связи с МДВР используется двух- или четырехпозиционная фазовая манипуляция. Обычно применяется абсолютная фазовая манипуляция (АФМ) в сочетании с различными методами помехоустойчивого кодирования. Использование относительной фазовой манипуляция (ОФМ) при этом неэффективно, так как для обеспечения максимальной помехоустойчивости декодер помехоустойчивых кодов должен работать с "мягким" (квантованным) решением с выхода демодулятора.
Для систем связи с АФМ основным недостатком является режим "обратной работы", когда вместо исходной переданной информации на приемной стороне получается искаженная информация из-за неоднозначной фазы восстановленного опорного несущего колебания в демодулирующем устройстве. Поэтому для синхронизации и устранения "обратной работы" в системах связи с АФМ используют специальные кодовые посылки, помещаемые в начале пакетов информации каждого абонента, которые хотя и снижают эффективность системы связи, но обеспечивают однозначное последующее восстановление исходной информации.
Если в системе связи используется четырехфазная АФМ, то после демодулирующего устройства возможны следующие сочетания информации в подканалах: АВ, ,  и  где А, В и ,  - соответственно прямые и инверсные значения символов в подканалах. Согласно способу ([1] - Shunvoku Sasaki, Hiroshi Kurihara, Burst Codeword with arbitrary Length for Four-Phase CPSK/TDMA System. Fourth International Conference on Digital Satellite Communications, 23-25 October 1978, Montreal, p.327-332) синхронизация и устранение неоднозначности производится выполнением следующих операций:
- принимаемый сигнал демодулируют (преобразуют в цифровую форму);
- коррелируют полученный цифровой поток с возможными кодовыми комбинациями уникальных слов синхронизации (АВ, , ,  - для четырехфазного сигнала);
- определяют по результатам корреляции тип уникального слова синхросигнала и формируют его отклик на временной оси, тем самым обеспечивают синхронизацию на приемной стороне;
- по результатам определения типа уникального слова синхронизации (вида фазовой неоднозначности) в сигнале приводят информационную часть к виду АВ, т.е. устраняют фазовую неоднозначность.
Недостатком способа является сложность аппаратной реализации устройств кадровой, пакетной синхронизации и устранения фазовой неоднозначности. Неоднозначность ("обратная работа") в настоящее время устраняется применением корреляторов для каждого из возможных состояний кодовой комбинации синхропризнака. Отклик того или иного коррелятора используется для формирования управляющих сигналов устранения неоднозначности, в результате чего возможные комбинации AB, , ,  трансформируются к исходной комбинации АВ.
Одна из возможных схем синхронизации и устранения неоднозначности, которая используется в современной аппаратуре для четырехпозиционной АФМ [1], взятой за аналог, приведена на фиг.2. В состав устройства входят два N-битовых регистра сдвига 2, четыре коррелятора 4, четыре пороговые схемы 5 и четыре цифровых сумматора 8, дешифратор 7 и декодер данных 6.
Недостатками устройства являются сложность аппаратной реализации (особенно корреляторов со срабатыванием на уникальные слова синхросигнала с ошибками) и громоздкость устройства. В системах связи с МДВР передаются, как правило, пакетные, кадровые, суперкадровые сигналы, т.е. на приемной стороне должны быть установлены три комплекта устройства.
В способе ([2] - Патент РФ на изобретение №2232474 от 17.07.2002 г., МПК H04J 3/06, H04L 7/08 "Способ и устройство синхронизации и устранения фазовой неоднозначности сигналов систем связи". - 9 С. / Гончаров А.Ф., Долгополов В.Г., Колунтаев Е.Н., Лобов М.Ф., Посиделова М.А., Тодуа Г.В.), взятом за прототип, предпринята попытка избавиться от указанных недостатков. Для этого после демодуляции АФМ сигнала производится операция дифференциального декодирования и суммирования сигналов синфазного и квадратурного каналов, а после корреляции введена операция дифференциального кодирования, приводящая к устранению фазовой неоднозначности (фиг.3). При этом вместо четырех необходим всего один коррелятор.
Однако этот способ имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, при дифференциальном декодировании происходит размножение канальных ошибок, что приводит к увеличению вероятности ошибки в уникальном слове в два раза. Во-вторых, данный способ может быть применен только для обработки сигнала с "жестким" решением, так как после осуществления дифференциального декодирования информация о "мягкости" теряется. Для современных систем связи с применением помехоустойчивого кодирования работа по "жесткому" решению неприемлема, так как приводит к энергетическим потерям 2-2,5 дБ.
Устройство [2], принятое за прототип (фиг.3), содержит демодулятор 1, дифференциальный декодер 8, сумматор 3, регистр сдвига 2, коррелятор 4, дифференциальный кодер 9. Недостатком устройства является потенциальное снижение помехоустойчивости из-за работы по жесткому решению и размножения ошибок в дифференциальном декодере.
Целью изобретения является оптимизация способа обработки сигналов МДВР с АФМ и "мягкими" решениями на выходе демодулятора, а также упрощение аппаратной реализации.
Для достижения указанной цели предлагается способ, при котором сигнал демодулируют и коррелируют с возможными из-за фазовой неоднозначности уникальными словами синхросигнала. Согласно изобретению после демодуляции суммируют сигналы синфазного и квадратурного каналов с мягким решением, а сигналы жесткого решения, т.е. старшие разряды мягкого решения заносят в регистр сдвига и коррелируют всего с двумя значениями уникальных слов синхросигнала АВ и , сравнивают результаты корреляции с пороговыми значениями и дешифруют их, декодируют данные с мягким решением по результатам дешифровки с выдачей синхросигнала.
ПОРl
ПОР2
Устройство, реализующее данный способ, содержит демодулятор, последовательно соединенные регистр сдвига на сигналы жесткого решения, два коррелятора на кодовые комбинации АВ и , четыре пороговых устройства, подключенных ко входам дешифратора. Согласно изобретению в него введены сумматор сигналов обоих подканалов с мягким решением и декодер данных мягкого решения, при этом сигналы мягкого решения демодулятора подключены ко входам сумматора мягкого решения, а его выходы мягкого решения подключены ко входам декодера данных по мягкому решению, а выходы жесткого решения подключены ко входам регистра сдвига, выход первого коррелятора (АВ) подключен ко входам двух пороговых устройств: первого АВ≥N, второго АВ≤N; выход второго коррелятора подключен ко входам третьего порогового устройства  и четвертого порогового устройства , а выход дешифратора подключен к управляющему входу декодера данных с мягким решением.
Предлагаемый способ и устройство, его реализующее, в литературе не описаны, явно не следуют из достижений науки и техники, поэтому они соответствуют критериям новизны и изобретательского уровня.
На фиг.1 приведена структурная схема устройства по предлагаемому способу, на фиг.2 - структурная схема устройства-аналога, на фиг.3 - структурная схема устройства-прототипа.
Способ представляет собой следующую последовательность операций:
- демодулируют сигнал и получают квадратуры I и Q с 3-битным мягким решением в сопровождении тактовых импульсов ТИ в 1 (фиг.1);
- суммируют квадратуры I и Q на удвоенной тактовой частоте в 3;
- извлекают старший бит (жесткое решение) из суммы квадратур и сдвигают его в регистре сдвига 2;
1
2
- коррелируют сдвинутый сигнал в корреляторах 4 и 4;
1
2
3
4
- сравнивают отклики корреляторов с пороговыми величинами в пороговых устройствах 5, 5, 5, 5;
1
2
3
4
- дешифруют отклики пороговых устройств 5, 5, 5, 5 в дешифраторе 7;
- устраняют фазовую неоднозначность демодуляции в декодере данных 6 путем подачи отклика дешифратора 7 на контрольный вход 6.
1
2
1
1
ПОРl
2
ПОР2
2
3
4
1-4
Устройство по предлагаемому способу содержит (фиг.1) когерентный демодулятор фазоманипулированных сигналов 1, регистр сдвига на сигналы жесткого решения 2, сумматор синфазного и квадратурного каналов 3, два цифровых коррелятора 4 на кодовые комбинации АВ и , четыре пороговых устройства 5, декодер данных мягкого решения 6 и дешифратор 7. Выходы мягкого решения I, Q, ТИ демодулятора 1 соединены со входами сумматора 3, выходы которого IQ[2] и ТИ×2 соединены со входами регистра сдвига 2, а выходы IQ[2:0] и ТИ×2 - со входами декодера данных 6, выходы АВ и «синхронизация» которого являются выходами устройства, а выходы регистра сдвига 2 соединены со входами корреляторов 4 и 4. Выход коррелятора 4 подключен к первым входам первого порогового устройства 5 АВ≥N и второго - 5 АВ≤N. Выход коррелятора 4 подключен к первым входам третьего порогового устройства 5 и четвертого - 5. Вторые входы устройств 5 являются входами пороговых величин, а их выходы подключены к дешифратору 7, выход которого подключен к управляющему входу декодера 6.
Устройство работает следующим образом.
ПЧ
1
2
1
2
1,2
3,4
ПОР1
ПОР2
Входной сигнал промежуточной частоты f поступает на демодулятор 1, где преобразуется в цифровые n-битные "мягкие" решения квадратур I и Q в сопровождении сигнала тактовой частоты. Далее сигнал поступает на сумматор 3, где преобразуется в монопоток IQ в сопровождении удвоенной тактовой частоты. Полученный суммарный поток с "мягким" решением подается на декодер данных 6, а "жесткие" решения (старший значащий бит) - на регистр сдвига 2, с которым соединены два цифровых коррелятора вариантов уникального слова АВ и  4 и 4. Выходной код каждого коррелятора 4 и 4 (число бит входного сигнала, совпавших с уникальным словом) поступает на соответствующую пару пороговых устройств 5 и 5. Одно из них срабатывает, если число бит сигнала, совпавших с уникальным словом, более величины N, другое - если менее N, где
ПОР1
N=(0.8…0.9)·N,
ПОР2
ПОР1
N=N-N,
N - число бит уникального слова сигнала.
1
1
2
2
2
3
4
1
2
Если сигнал демодулирован с неоднозначностью уникального слова АВ и вероятность ошибки в канале связи не слишком велика, код на выходе коррелятора АВ 4 будет близок к N, и сработает первое пороговое устройство 5. Если же сигнал демодулирован с неоднозначностью уникального слова , то код на выходе коррелятора АВ 4 будет близок к нулю, и сработает второе пороговое устройство 5. Второй коррелятор  4 со второй парой пороговых устройств 5, 5 работает аналогично и отрабатывает неоднозначности  и . В случае отсутствия в принимаемом сигнале заданного уникального слова, значение кода на выходах обоих корреляторов 4 и 4 будет близко к 0.5N, и ни одно пороговое устройство 5 не сработает. По тому какое из пороговых устройств 5 сработало, в дешифраторе 7 определяется неоднозначность захвата демодулятора и с помощью декодера данных 6 демодулированный поток приводится к первоначальному виду АВ.
По сравнению с прототипом, устройство, реализующее предлагаемый способ обработки, содержит вдвое меньше корреляторов (так как анализируются не все 4 варианта неоднозначностей уникального слова принимаемого сигнала, а только две) и не содержит цифровых сумматоров.
Таким образом, в результате рассмотренной процедуры обработки сигналов с МДВР удалось оптимизировать процесс обработки, значительно упростить техническую реализацию устройства с сохранением высокой помехозащищенности и возможностью обработки сигналов с "мягким" решением.
Литература
1. Shunvoku Sasaki, Hiroshi Kurihara, Burst Codeword with arbitrary Length for Four-Phase CPSK/TDMA System. Fourth International Conference on Digital Satellite Communications, 23-25 October 1978, Montreal, p.327-332.
2. Патент РФ на изобретение №2232474 от 17.07.2002 г., МПК H04J 3/06, H04L 7/08. "Способ и устройство синхронизации и устранения фазовой неоднозначности сигналов систем связи". - 9 С. / Гончаров А.Ф., Долгополов В.Г., Колунтаев Е.Н., Лобов М.Ф., Посиделова М.А., Тодуа Г.В.