Способ тактовой цифровой синхронизации
METHOD OF DIGITAL CLOCK SYNCHRONIZATION

Изобретение относится к способам тактовой синхронизации цифровых сигналов при передаче дискретных сообщений по проводным каналам связи и радиоканалам.
При передаче сигнала по каналам связи возможны искажения из-за воздействия помех, многолучевого распространения радиоволн и других причин. Искажения приводят к возникновению дроблений и искажений краев двоичных посылок на выходе демодулятора, которые создают ложные фронты посылок. При восстановлении сообщений ложные фронты могут приводить к ошибочным двоичным посылкам. Задачей тактовой цифровой синхронизации является определение фаз фронтов неискаженных посылок. Это позволяет затем правильно восстановить двоичные посылки. Точное определение фронтов неискаженных посылок уменьшает вероятность ошибки и повышает вероятность доведения сообщения.
К способам тактовой цифровой синхронизации часто предъявляют довольно противоречивые требования - высокая точность или достоверность синхронизации, малое время вхождения в синхронизм, сохранение синхронизма при перерывах связи, незначительная зависимость от качества канала связи и другие. В предлагаемом способе для определения фронтов неискаженных посылок используется статистический подход, заключающийся в построении гистограммы распределения фронтов посылок, поступивших с выхода демодулятора в скользящем окне приема, и принятии наиболее вероятного решения по гистограмме распределения фронтов. Такой подход повышает точность определения фронтов неискаженных посылок, а изменение длины скользящего окна позволяет выбрать наиболее рациональное соотношение между достоверностью принятия решения и временем или оперативностью его принятия. Это увеличивает точность решения о положении фронтов неискаженных двоичных посылок в каналах связи низкого качества и в нестационарных каналах с группированием ошибок. Способ может найти применение в адаптивных радиолиниях, в которых параметры обработки входного сигнала автоматически и целенаправленно изменяют в зависимости от уровня искажений и дроблений посылок, то есть от качества канала связи. Способ основан на принудительной синхронизации по рабочей или информационной последовательности, передаваемой по каналу связи.
Известен способ цифровой тактовой синхронизации, при котором сначала определяется фаза фронтов двоичных посылок, затем каждому фронту принятых двоичных посылок сопоставляется колебание, частота которого равна частоте поступления двоичных посылок. Сумма сформированных колебаний поступает на вход узкополосного фильтра, который выделяет основную гармонику частоты поступления двоичных посылок. Фаза выделенной гармоники является оценкой фазы фронтов неискаженных двоичных посылок. [Передача дискретных сообщений. Шувалов В.П., Захарченко Н.В., Шварцман В.О. и др. - М.: - Радио и связь. - 1990. - с. 339-341].
Недостатком этого способа является потеря фазы фронтов неискаженных двоичных посылок при кратковременных перерывах связи, а также высокие требования к полосе частот узкополосного фильтра и к стабильности тактовых генераторов на передающей и приемной сторонах.
Известен также способ цифровой тактовой 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.
n
n
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ (прототип) 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  фаз фронтов двоичных посылок запоминают. Затем эти  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 недостаточная 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.
Целью изобретения является повышение точности и оперативности установления тактовой синхронизации за счет анализа фаз фронтов входных двоичных посылок по критерию наибольшей вероятности положения этих фронтов на гистограмме распределения фронтов. Также целью является уменьшение вычислительной сложности способа.
n
n
n
n
n
k
k
k
k
n
n
Для достижения цели предложен 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  фаз фронтов двоичных посылок запоминают. Затем эти  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. Новым является то, что при запоминании последних  фаз фронтов двоичных посылок строят гистограмму распределения этих  фаз фронтов двоичных посылок. При построении гистограммы распределения фаза последнего фронта двоичных посылок с выхода демодулятора добавляется в гистограмму распределения, а фаза фронта двоичных посылок предшествующего  фронтам посылок перед последним фронтом удаляется из гистограммы распределения. Затем в скользящем окне длины  последовательных фаз фронтов посылок подсчитывают площадь под гистограммой распределения, начиная с начального положения скользящего окна и заканчивая последним на гистограмме положением скользящего окна с учетом циклической нумерации отсчетов фаз фронтов двоичных посылок. Полученные значения площадей под гистограммой сравнивают между собой по величине и выбирают положение скользящего окна, при котором достигается максимальная величина значения площади под гистограммой распределения и далее оценкой фазы фронтов неискаженных двоичных посылок считают среднее значение фаз фронтов двоичных посылок скользящего окна длины  последовательных фаз фронтов посылок с максимальной величиной площади под гистограммой распределения фронтов. При этом решение о наличии сигнала в канале связи принимают при мономодальном распределении гистограммы распределения фаз фронтов двоичных посылок, в противном случае считают, что сигнал в канале связи отсутствует. Причем длину окна из  последовательных фаз фронтов двоичных посылок выбирают в зависимости от величины дисперсии распределения фаз фронтов двоичных посылок по гистограмме распределения, при возрастании дисперсии распределения фаз фронтов двоичных посылок длину окна  последовательных фаз фронтов двоичных посылок увеличивают, а при уменьшении - сокращают. При этом для построения гистограммы распределения последних  фаз фронтов двоичных посылок содержимое памяти по адресу памяти, равному последней фазе фронта двоичной посылки, увеличивают на 1, а содержимое памяти по адресу памяти, равному фазе фронта двоичной посылки, предшествующей  фазам фронтов двоичных посылок, уменьшают на 1.
Предлагаемый способ цифровой тактовой синхронизации реализуется следующим образом.
T
m
Система связи включает в себя передающую и приемную стороны и канал связи, по которому передают сигнал, соответствующий цифровому сообщению. На приемной стороне цифровая тактовая синхронизация выполняется по сигналу с выхода порогового элемента демодулятора. Сначала сигнал на выходе порогового элемента демодулятора преобразуется в цифровую форму. Для этого длительность  одной двоичной посылки делится на  временных интервалов длительности τ(τ<Т). В пределах каждого интервала принимается решение о его полярности. Итак, двоичная посылка на выходе демодулятора задается m отсчетами в течение ее длительности
m
Для достаточно точного задания двоичной посылки число отсчетов в течение посылки обычно не превышает величины =16…24.
i
i
m
m
m
m
Фронтом двоичной посылки является переход сигнала из уровня логического 0 в уровень логической 1 и обратно. Положение интервала в пределах посылки задается его фазой, значение которой может принимать значения ϕ=0, τ/, 2τ/,…,(-1)τ/. Фаза фронта равна ϕ, если справедливо
i
i+1
то есть при переходе от -го отсчета к -му отсчету происходит изменение уровня сигнала. Истинные фронты соответствуют границам неискаженных двоичных посылок, а ложные фронты - смене полярности внутри посылки. Ложные фронты чаще всего возникают в результате краевых искажений и дроблений двоичных посылок.
N
n
Пусть на длине  посылок получено  фронтов с координатами
которые будем называть фазами фронтов.
Р(ϕ)
m
n
ϕj
n
ϕi
n
Фазы ложных фронтов из-за случайного характера искажений в канале связи также являются случайными величинами. Случайная величина фаз фронтов описывается гистограммой  распределения частот фаз фронтов. Гистограмма является аппроксимацией плотности распределения случайной величины и площадь под кривой плотности распределения будет равна 1. Для построения такой гистограммы определяют частоты появления фаз фронтов. В описываемом способе при построении гистограммы для упрощения используется итеративная процедура. Гистограмму строят в памяти, содержащей  запоминающих ячеек по числу различных возможных фаз фронтов. Для построения гистограммы распределения последних  фаз фронтов двоичных посылок содержимое памяти по адресу памяти, равному последней фазе фронта  двоичной посылки, увеличивают на 1, а содержимое памяти по адресу памяти, равному фазе фронта двоичной посылки, предшествующей  фазам фронтов  двоичных посылок, уменьшают на 1. В начальный момент времени память обнуляется и считается, что предшествующие фазы фронтов отсутствуют и содержимое памяти не уменьшаем. Таким образом, в ячейках памяти после прихода фаз фронтов двоичных посылок будут записаны значения, величины которых пропорциональны частоте фаз фронтов двоичных посылок, то есть будет записана гистограмма распределения фаз фронтов. При поступлении следующих фронтов гистограмма будет корректироваться и соответствовать текущему моменту времени.
k
k
Р(ϕ)
ϕg
k
m/3<k<m/2
ϕg
ϕi
Затем, в скользящем окне длины  последовательных фаз фронтов посылок подсчитывают площадь под гистограммой распределения, начиная с начального или нулевого положения скользящего окна и заканчивая последним положением начала скользящего окна с учетом циклической нумерации отсчетов фаз фронтов двоичных посылок. Полученные значения площадей под гистограммой сравнивают между собой по величине и выбирают положение скользящего окна, при котором достигается максимальная величина значения площади под гистограммой распределения и далее оценкой фазы фронтов неискаженных двоичных посылок считают среднее значение фаз фронтов двоичных посылок скользящего окна длины  последовательных фаз фронтов посылок с максимальной величиной площади под гистограммой распределения. Гистограмма  распределения фаз фронтов и выбор оценки фазы фронтов  неискаженных двоичных посылок по гистограмме иллюстрируются на фигуре. Обычно  выбирают в диапазоне . Таким образом, в качестве оценки фазы выбирается фаза =, обеспечивающая максимум выражения
i
m
где фазы считаются расположенными в циклическом порядке, т.е. номера фаз  приводятся по модулю .
В каналах относительно хорошего качества в основном будут фронты неискаженных двоичных посылок, которые на гистограмме распределения фаз фронтов образуют явно выраженный экстремум. Поэтому, решение о наличии сигнала в канале связи принимают при мономодальном распределении гистограммы распределения фаз фронтов двоичных посылок, в противном случае считают, что сигнал в канале связи отсутствует.
k
При ухудшении качества канала число ложных фронтов возрастает, и гистограмма распределения не будет иметь явно выраженного экстремума в области фазы фронтов неискаженных двоичных посылок. В этом случае длину окна из  последовательных фаз фронтов двоичных посылок следует корректировать в зависимости от статистических параметров гистограммы распределения. Дисперсия распределения фаз фронтов выражается формулой
k
k
При более пологой гистограмме распределения фаз фронтов дисперсия распределения возрастает, при более крутой - уменьшается. Поэтому длину окна из  последовательных фаз фронтов двоичных посылок выбирают в зависимости от величины дисперсии распределения фаз фронтов двоичных посылок по гистограмме распределения, при возрастании дисперсии распределения фаз фронтов двоичных посылок длину окна  последовательных фаз фронтов двоичных посылок увеличивают, а при уменьшении - сокращают. Таким образом, за счет изменения длины скользящего окна управление тактовой синхронизацией выполняется в замкнутом контуре. Это позволяет с большей точностью и за меньшее время определять положение фаз фронтов неискаженных посылок при изменении качества канала связи.
2
Построение гистограммы распределения фаз фронтов осуществляется в оперативной памяти. При этом выполняются простейшие операции увеличения содержимого памяти по определенному адресу на 1 или уменьшение содержимого памяти на 1. Для определения площади под гистограммой требуется выполнение только операций суммирования некоторых величин. Сравнение площадей также является несложной операцией. Поэтому определение наиболее вероятного положения фаз фронтов под гистограммой не требует больших вычислительных затрат, в отличие от известных статистических критериев Неймана-Пирсона, Стьюдента, критерия χ и других, которые требуют вычисления довольно сложных математических функций.
После определения фазы фронтов неискаженных двоичных 'посылок восстановление может осуществляться одним из известных методов, например методом укороченного контакта, методом интегрального приема или методом интегрального приема в скользящем окне заданной длины.
Преимуществом предложенного способа является повышение точности и оперативности установления тактовой синхронизации цифровых сигналов, поскольку способ использует наиболее вероятную оценку положения фазы фронтов неискаженных двоичных посылок на гистограмме распределения фаз фронтов. При этом изменение длины скользящего окна, в котором определяется положение фазы фронтов неискаженных посылок, позволяет подстраиваться под изменение качества канала связи. Для реализации способа требуется выполнение простейших арифметических операций, что снижает требования к вычислительным ресурсам для реализации способа.
Достигаемым техническим результатом способа тактовой цифровой синхронизации является повышение точности и оперативности установления тактовой синхронизации цифровых сигналов, а также уменьшение вычислительной сложности реализации способа.