СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СИНХРОИМПУЛЬСОВ ПРИ ПРИЕМЕ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ
FORMATION METHOD OF SYNCHRONISATION PULSES AT RECEPTION OF DIGITAL SIGNALS

Изобретение относится к радиосвязи и может использоваться при приеме сигналов, содержащих блоки данных фиксированной длины.
Синхроимпульсы, которыми обычно разделяют блоки данных, формируют с использованием обнаруженных в принятом сигнале маркеров. Методы обнаружения маркера в принятом сигнале зависят от параметров, по которым он отличается, сигналов, содержащих данные (амплитуда, длительность, форма), а результаты обнаружения - от методов обнаружения.
марк
Известен способ формирования синхроимпульсов с использованием маркеров в виде определенных кодовых комбинаций длиной N битов каждая (т.е. отличающихся по форме). [TM Synchronization and Channel Coding, Recommendation for Space Data System Standards CCSDS 131.0-B-1, Issue 1, Blue Book, Consultative Committee for Space Data Systems, September, 2003., s.6], [Назаров А.В., Козырев Г.И., Шитов И.В. и др. Современная телеметрия в теории и на практике. Учебный курс. - СПб.: Наука и Техника, 2007. - 672 с., гл.5].
ош_доп
марк
ош_доп
ош_доп
ош_доп
Для формирования синхроимпульсов в этом способе устанавливают допустимое количество Nк в принятой маркерной комбинации для их идентификации. Если N относительно велико, а N мало, то в условиях действия даже относительно слабых помех в канале связи велика вероятность необнаружения маркера. При увеличении N вероятность правильного обнаружения маркера увеличивается, но при этом увеличивается и вероятность обнаружения ложного маркера, что приводит к большим издержкам, чем необнаружение маркера. Причем при увеличении N при отсутствии искажений в принятом сигнале из-за случайных совпадений значений некоторых принятых данных с маркерной комбинацией вероятность обнаружения ложного маркера увеличивается.
Ограничение этого способа заключается в том, что при формировании текущего синхроимпульса свойства предыдущих и последующих синхроимпульсов не учитываются. Это приводит к ухудшению помехоустойчивости.
Известен другой способ формирования синхроимпульсов, в соответствии с которым синхроимпульс, выделенный из маркера, считается достоверным, если периоды следования предыдущих n синхроимпульсов, сформированных путем обнаружения соответствующих им n маркеров, соответствуют требуемым. [Справочник по телеметрии / Под ред. Э.Грюнберга. - М.: Машиностроение, 1979. - 484 с., с.202-208].
Недостаток этого способа состоит в том, что при формировании очередного синхроимпульса свойства предыдущих и последующих синхроимпульсов учитываются не достаточно полно, что в условиях помех, вызывающих сбои тактовых импульсов, может привести к необнаружению маркера или обнаружению ложного маркера.
0
прм
прм
Наиболее близким является способ формирования синхроимпульсов, в котором принимают сигналы, включающие информационные сигналы, которые преобразуют в блоки данных с фиксированным количеством N данных, каждый из которых представляет собой импульсные r-разрядные сигналы в параллельном двоичном коде, сопровождаемые тактовыми импульсами и разделенные маркерами, и для реального временного положения каждого из маркеров вырабатывают синхроимпульсы М, где М - временное положение реального маркера [Справочник по телеметрии / Под ред. Э.Грюнберга. - М.: Машиностроение, 1979. - 484 с., с.202-208].
Это способ улучшен по сравнению с предыдущим. В нем синхроимпульс, выделенный из маркера, считается достоверным, если предыдущие m из n синхроимпульсов (m<n) следуют с заданной периодичностью.
Недостаток этого способа также состоит в том, что при формировании очередного синхроимпульса предыдущие и последующие синхроимпульсы учитываются не достаточно полно. Это в условиях помех, вызывающих сбои тактовых импульсов, также может привести к формированию ложных синхроимпульсов и не привести к формированию достоверных и нужных синхроимпульсов.
Решаемая изобретением задача - повышение надежности и эффективности приема сигналов за счет улучшения их синхронизации.
Технический результат изобретения заключается в повышении помехоустойчивости приема сигналов в условиях действия помех в канале связи.
0
прм
прм
прм
1
0
1
0
1
0
0
0
0
2
0
2
0
0
1
2
прм
мним
1
мним
1
мним
1
мним
мним
мним
мним
2
мним
2
мним
1
мним
1
мним
1
мним
мним
мним
мним
2
мним
2
прм
прм
мним
1
мним
1
мним
1
мним
мним
мним
мним
2
мним
2
прм
рег
мним
прм
прм
рег
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном способе формирования синхроимпульсов, заключающемся в том, что принимают сигналы, включающие информационные сигналы, которые преобразуют в блоки данных с фиксированным количеством N данных, каждый из которых представляет собой импульсные r-разрядные сигналы в параллельном двоичном коде, сопровождаемые тактовыми импульсами и разделенные маркерами, и для реального временного положения каждого из маркеров вырабатывают синхроимпульсы М, где М - временное положение реального маркера, согласно изобретению для каждого выработанного синхроимпульса М отсчитывают -kN, -(k-1)N, -(k-2)N, …, -N, N, 2N, …, (k-1)N, kN данных, где N - фиксированное количество данных в блоке данных, a k и k - целые числа от 1 и более, для каждого выработанного синхроимпульса М помечают границы отсчетов соответствующими сигналами с одинаковой амплитудой М(-k), М(-k+1), М(-k+2), …, М(-1), М(1), М(2), …, М(k-1), М(k), усиливают сигналы М(-k), М(-k+1), М(-k+2), …, М(-1), М(1), М(2), …, М(k-1), М(k) и М в соответствии с заданными коэффициентами усиления, для каждого выработанного синхроимпульса М с одинаковыми реальными моментами времени складывают амплитуды усиленных сигналов М(-k), М(-k+1), М(-k+2), …, М(-1), М(1), М(2), …, М(k-1), М(k) и М, сравнивают каждую полученную суммарную амплитуду сигнала с установленным порогом и в случае превышения порога для каждой полученной суммарной амплитуды сигнала формируют регенерированный синхроимпульс М, который вводят для каждого блока данных по временному местоположению соответствующего синхроимпульса М или М, и удаляют синхроимпульс М при отсутствии соответствующего ему сформированного регенерированного синхроимпульса М.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры.
Фиг.1 изображает один из возможных вариантов функциональной схемы устройства, реализующего заявленный способ.
Фиг.2 - эпюры входных и выходных сигналов устройства на фиг.1.
Фиг.3 - эпюры сигнала с регенерированными синхроимпульсами.
Заявленный способ включает следующие этапы
прм
1. Формируют блоки данных в виде r-разрядных сигналов в параллельном двоичном коде, сопровождаемых тактовыми импульсами, и вырабатывают синхроимпульсы М, соответствующими положению маркеров.
прм
1
0
1
0
1
0
0
0
0
2
0
2
0
мним
1
мним
1
мним
1
мним
мним
мним
мним
2
мним
2
2. Отсчитывают от каждого выработанного синхроимпульса М, соответствующего обнаруженному маркеру, -kN, -(k-1)N, -(k-2)N, …, -N, N, 2N, …, (k-1)N, kN данных и метят границы отсчетов соответствующими сигналами М(-k), М(-k+1), М(-k+2), …, М(-1), М(1), М(2), …, М(k-1), М(k) одинаковой амплитуды.
мним
1
мним
1
мним
1
мним
мним
мним
мним
2
мним
2
прм
3. Усиливают сигналы М(-k), М(-k+1), М(-k+2), …, М(-1), М(1), М(2), …, М(k-1), М(k) и М в соответствии с заданными коэффициентами усиления.
прм
4. Складывают усиленные сигналы, соответствующие разным синхроимпульсам М, с одинаковыми моментами времени, таким образом, что суммарная амплитуда сигнала равна сумме амплитуд суммируемых сигналов.
рег
5. Сравнивают каждую полученную суммарную амплитуду сигнала с установленным порогом и в случае превышения порога формируют регенерированный синхроимпульс М.
рег
мним
прм
прм
рег
6. Подставляют регенерированный синхроимпульс М по месту соответствующего синхроимпульса М или М, и удаляют синхроимпульс М при отсутствии соответствующего ему синхроимпульса М.
0
рег
7. Группируют r-разрядные сигналы данных, сопровождаемые тактовыми импульсами, в блоки с фиксированным количеством N данных в каждом неискаженном блоке, разделяя упомянутые блоки регенерированными синхроимпульсами М.
Один из возможных вариантов практического осуществления предложенного способа связан с устройством, функциональная схема которого представлена на фиг.1.
1
2
G
1
2
F
1
2
G
1
2
G
1
2
G
2
F
Устройство содержит блок 1 памяти, регистры 2, 2, …, 2 сдвига, усилители 3, 3, …, 3, сумматор 4, пороговый блок 5 и формирователь 6. Линии входной шины подключены к первому входу блока 1 памяти, а линия синхроимпульсов (СИ) и линия тактовых импульсов (ТИ), кроме того, подключены соответственно к первому и третьему входам каждого из регистров 2, 2, …, 2 сдвига. Второй вход блока 1 памяти и каждого из регистров 2, 2, …, 2 сдвига служит для установки их в состояние «0». Выходы регистров 2, 2, …, 2 сдвига, а также линия синхроимпульсов (СИ) выходной шины блока 1 памяти, соответственно подключенной к выходу блока 1 памяти и первому входу формирователя 6, соединены со входами усилителей 3, …, 3(F=G+2), где F - количество усилителей, a G - количество регистров.
1
1
2
F
Вход усилителя 3 соединен с линией синхроимпульсов (СИ) входной шины. Выходы усилителей 3, 3, …, 3 подключены ко входам сумматора 4, выход которого через пороговый блок 5 подключен ко второму входу формирователя 6, выход которого является выходом устройства.
1
0
1
2
G
1
2
G
0
0
1
0
1
0
1
2
0
1
2
0
1
2
F
Блок 1 памяти работает в режиме линии задержки, причем задержка составляет kN данных по отношению к входным данным. С поступлением на вход устройства тактового импульса в блоке 1 памяти и в регистрах 2, 2, …, 2 сдвига осуществляется сдвиг запомненных сигналов на один такт. Задержка, создаваемая регистрами сдвига 2, 2, …, 2, составляет соответственно N, 2N, …, (k-1)N, (k+1)N, ……, (k+k-1)N, (k+k)N данных относительно их входных данных. На вход усилителей 3, 3, …, 3 поступают сигналы одинаковой амплитуды.
1
2
G
Перед началом работы на вторые входы блока 1 памяти и каждого из регистров сдвига 2, 2, …, 2 поступает сигнал установки их в состояние «0», очищающий память.
Устройство работает следующим образом.
1
2
0
1
2
G
1
2
F
При поступлении на вход устройства неискаженных помехами сигналов (идеальный случай), если количество входных данных не менее (k+k)N, неодинаково задержанные в блоке 1 памяти и регистрах 2, 2, …, 2 сдвига разные синхроимпульсы одинаковой амплитуды появятся одновременно на входах всех усилителей 3, 3, …, 3. На их выходах одновременно появятся усиленные в соответствии с заданными коэффициентами усиления сигналы, в результате суммирования которых в сумматоре 4 на его выходе появится сигнал с амплитудой, превышающей пороговое значение, инициирующий поступление сигнала с выхода порогового блока 5 на второй вход формирователя 6.
1
2
F
1
2
Коэффициенты усиления усилителей 3, 3, …, 3, порог в блоке 5 и значения k и k выбирают исходя из ожидаемых искажений синхроимпульсов из-за действия помех в канале связи. Эти параметры устанавливаются исходя из технического задания на реализующее заявленный способ устройство и могут быть скорректированы экспериментально в процессе настройки устройства.
прм
мним
1
мним
1
мним
1
мним
мним
мним
мним
2
мним
2
прм
мним
мним
прм
Коэффициенты усиления, относящиеся к выработанному синхроимпульсу М, характеризуют значимость синхроимпульсов М(-k), М(-k+1), М(-k+2), …, М(-1), М(1), М(2), …, М(k-1), М(k) в зависимости от их удаленности от М. При этом значения коэффициентов усиления, соответствующие синхроимпульсам М, или уменьшаются, или остаются неизменными. Чем меньше коэффициенты усиления, тем большее количество соответствующих синхроимпульсов М и М должно быть просуммировано, чтобы преодолеть установленный в блоке 5 порог. Их избыток чреват исключением достоверных синхроимпульсов, а их недостаточное количество - появлением в выходных сигналах ложных синхроимпульсов.
F
прм
прм
Значение порога, устанавливаемого в блоке 5, не должно быть меньше амплитуды синхроимпульса на выходе усилителя 3 (М). В противном случае всегда на выход устройства (фиг.2) будет поступать синхроимпульс М. Вероятность того, что он окажется ложным, увеличится.
1
2
мним
прм
1
2
1
2
1
2
Значения k и k являются целыми числами и определяют количество синхроимпульсов М соответственно до и после синхроимпульса М. В условиях действия помех в канале связи при относительно малых значениях k и k возможности коррекции синхронизации окажутся реализованными не в полной мере, а при относительно больших значениях k и k недопустимо увеличивается вероятность поступления на выход устройства (фиг.2) ложного синхроимпульса. Как показали экспериментальные исследования, значения k и k целесообразно, например, выбирать в пределах от 3 до 9.
Сигналы, поступающие на второй вход формирователя 6, подставляют по месту синхроимпульсов выходной шины блока 1 памяти вместо синхроимпульсов, задержанных блоком 1 памяти. В приведенном (идеальном) случае параметры сигналов на выходе порогового блока 5 и сигналов выходной линии синхроимпульсов блока 1 памяти одинаковы.
В идеальном виде входные и выходных сигналы устройства (см. фиг.1) одинаковы (см. фиг.2). Пунктирными линиями обозначено местоположение информационных сигналов. Наличие (отсутствие) импульса означает «1» («0») в соответствующем разряде r-разрядного данного, представленного в двоичном виде. Сплошными линиями обозначены тактовые импульсы и синхроимпульсы. Тактовый импульс является признаком r-разрядного данного, а синхроимпульс совпадает с первым или последним данным неискаженного помехами блока данных.
Работа устройства (фиг.1) в условиях искажения помехами входных сигналов поясняется следующим примером.
1
2
мним
прм
пор
мним
прм
мним
прм
1
2
F-1
F
пор
Пусть параметры настроек устройства следующие: k=k=5, U=U=1, U=1, где U(U) - амплитуда сигнала М(М) в условных единицах на выходе усилителя 3, 3, …, 3 (3) при поступлении на его вход задержанного исходного синхроимпульса; U - уровень порога в условных единицах, устанавливаемый в пороговом блоке 5.
ист
ист
0
ист
0
ист
0
0
ист
ист
0
ист
0
ист
0
ист
0
ист
0
лож
0
Положим истинным (переданным без искажения) маркерам соответствуют истинные (принятые без искажений) синхроимпульсы М(0), М(N), М(2N), …, М(15N), где iN - количество данных от начала отсчета, соответствующее i-му синхроимпульсу М, i=0, 1, …, 15. Допустим, что помехи в канале связи постепенно усиливаются, а через некоторое время постепенно ослабевают. В результате искажений, вызванных этими помехами, синхроимпульсы М(6N), М(7N), М(8N), М(9N), М(10N) отсутствуют (соответствующие маркеры из-за помех не обнаружены), и из-за ложного маркера присутствует ложный регенерируемый синхроимпульс М(7,3·N) (см. фиг.3).
Σ
0
Σ
0
Σ
0
Σ
0
Σ
0
ист
Σ
0
1
2
F
мним
0
Σ
0
пор
пор
рег
0
рег
0
рег
0
рег
0
рег
0
лож
0
мним
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Σ
0
Σ
0
пор
лож
0
Из анализа работы устройства в описанных выше условиях следует, что U(6N)=U(7N)=U(8N)=U(9N)=U(10N)=6, где U - амплитуда синхроимпульсов М, a U(iN) - результат суммирования сигналов с выходов усилителей 3, 3, …, 3, соответствующий позиции синхроимпульса М(iN), i=6, 7, 8, 9, 10. Т.к. U(iN)>U, i=6, 7, 8, 9, 10, где U - амплитуда установленного порога, то устройством будут регенерированы синхроимпульсы М(6N), М(7N), М(8N), М(9N), М(10N) (см. фиг.3). Ложный синхроимпульс М(7,3·N) порождает синхроимпульсы М, местоположение которых соответствует 6,3·N, 5,3·N, 4,3·N, 3,3·N, 2,3·N, 8,3·N, 9,3·N, 10,3·N, 11,3·N, 12,3·N текущим данным и не совпадает ни с одним из входных (искаженных) синхроимпульсов (фиг.3). Поэтому U(7,3·N)=1 (т.е. условие U(7,3·N)>U не выполняется). Ложный регенерируемый синхроимпульс М(7,3·N) будет удален из выходной последовательности синхроимпульсов.
Наиболее успешно заявленный способ формирования синхроимпульсов при приеме цифровых сигналов промышленно применим в различных цифровых системах, в которых блоки данных в принятом сигнале разделены маркерами.