Способ тактовой цифровой синхронизации
DIGITAL CLOCKING SYNCHRONIZATION METHOD

Изобретение относится к области передачи дискретной информации и может быть использовано для тактовой цифровой синхронизации сигналов в комплексах телекодовой связи и управления.
При передаче сигнала по каналам связи возможны искажения из-за воздействия помех, многолучевого распространения радиоволн, замираний и других причин. Искажения сигнала могут приводить к возникновению ложных фронтов двоичных посылок на выходе демодулятора. На выходе демодулятора могут присутствовать не только фронты неискаженных посылок, но и ложные фронты, соответствующие дроблениям посылок и искажению фронтов. Задачей тактовой цифровой синхронизации является определение фаз фронтов неискаженных посылок при наличии дроблений и искажений фронтов. Знание фаз фронтов неискаженных посылок позволяет правильно восстановить двоичные посылки, уменьшить вероятность канальных ошибок, а значит, повысить вероятность доведения сообщения.
Число фронтов неискаженных посылок обычно существенно больше числа ложных фронтов. Поэтому на основе статистического подхода по максимальному числу фронтов можно оценить значение фазы неискаженных фронтов. Однако в каналах связи низкого качества вблизи фазы фронтов неискаженных посылок возможны ошибки, обусловленные искажением фронтов из-за дрожания фазы, неточностью задающих генераторов и другими причинами. В предлагаемом способе для определения фазы фронтов неискаженных посылок используется векторная оценка распределения фаз фронтов посылок, поступивших с выхода демодулятора в скользящем окне приема. Векторная оценка учитывает цикличность фазы и является более устойчивой или робастной для распределений случайных величин с так называемыми «тяжелыми хвостами». Векторная оценка обладает высокой надежностью в условиях нестационарного канала низкого качества, обеспечивает рациональное соотношение между достоверностью принятия решения и временем или оперативностью его принятия. Способ может применяться для тактовой цифровой синхронизации как по специальной служебной последовательности типа меандра, содержащей наибольшее число фронтов, так и для синхронизации по рабочей полезной информации. В последнем случае при передаче рабочей информации выполняют постоянное уточнение и подстройку выбранной вначале сеанса связи фазы фронтов неискаженных посылок.
Известен способ тактовой цифровой 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.
Известен также 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 n фаз фронтов двоичных посылок запоминают. Затем эти n 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 невысокая 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, что приводит к усложнению технической реализации.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ (прототип) тактовой цифровой синхронизации, при котором сначала по сигналам на выходе демодулятора определяют фазы фронтов принятых двоичных посылок. Затем последние n фаз фронтов принятых двоичных посылок анализируют по статистическому критерию, выносят решение о наличии или отсутствии сигнала в канале связи и строят гистограмму распределения n фаз фронтов принятых двоичных посылок. При построении гистограммы распределения фаза последнего фронта двоичных посылок с выхода демодулятора добавляется в гистограмму распределения, а фаза фронта двоичных посылок предшествующего n фронтам посылок перед последним фронтом удаляется из гистограммы распределения. Далее по гистограмме распределения определяют оценку фазы фронтов неискаженных двоичных посылок. (Патент РФ №2640731, МПК H04L 9/36, G06K 7/016 Квашенников В.В. Способ тактовой цифровой синхронизации. - Приор. 04.04.2017.- опубл. 11.01.2018. - Бюл. №2).
Недостатком этого способа является невысокая точность установления тактовой синхронизации в нестационарном канале связи низкого качества, в котором возможно дрожание фронтов входных двоичных посылок при многолучевом распространении радиоволн, замираниях и нестабильности задающих генераторов. Недостатком также является большое число вычислительных операций при оценке фазы фронтов неискаженных двоичных посылок при вычислении площади гистограммы в скользящем окне, что приводит к усложнению технической реализации.
Целью изобретения является повышение точности установления тактовой синхронизации за счет векторной оценки фаз фронтов входных двоичных посылок, а также уменьшение вычислительной сложности реализации способа.
Для достижения цели предложен способ тактовой цифровой синхронизации, при котором сначала по сигналам на выходе демодулятора определяют фазы фронтов принятых двоичных посылок. Затем последние n фаз фронтов принятых двоичных посылок анализируют по статистическому критерию, выносят решение о наличии или отсутствии сигнала в канале связи и строят гистограмму распределения n фаз фронтов принятых двоичных посылок. При построении гистограммы распределения фаза последнего фронта двоичных посылок с выхода демодулятора добавляется в гистограмму распределения, а фаза фронта двоичных посылок, предшествующая n фронтам посылок перед последним фронтом, удаляется из гистограммы распределения. Далее по гистограмме распределения определяют оценку фазы фронтов неискаженных двоичных посылок. Новым является то, что строят гистограмму квадратурных составляющих фазы фронтов принятых двоичных посылок. По гистограмме квадратурных составляющих определяют суммарные значения квадратурных составляющих фазы фронтов принятых двоичных посылок. Затем вычисляют тангенс фазы неискаженных фронтов двоичных посылок в виде отношения суммарных значений квадратурных составляющих, и далее оценку фазы фронтов неискаженных двоичных посылок определяют как арктангенс тангенса фазы неискаженных фронтов двоичных посылок. При этом вычисление значений квадратурных составляющих фазы фронтов принятых двоичных посылок выполняют по таблицам, входом которых является фаза фронтов принятых двоичных посылок, а выходом соответственно значения функции синуса и функции косинуса фазы фронтов принятых двоичных посылок. Причем, суммарные значения квадратурных составляющих фаз фронтов получают путем прибавления последних вычисленных значений синуса или косинуса фазы фронта и вычитания значений синуса или косинуса фазы фронтов, предшествующих n фронтам посылок перед последним фронтом. При этом оценку фазы фронтов принятых неискаженных двоичных посылок определяют по таблице, входом которой является тангенс фазы неискаженных фронтов двоичных посылок, а выходом сама фаза неискаженных фронтов двоичных посылок.
Предлагаемый способ цифровой тактовой синхронизации реализуется следующим образом.
Комплекс связи включает в себя передающую и приемную стороны и канал связи, по которому передают сигнал, соответствующий цифровому сообщению. На приемной стороне тактовую цифровую синхронизацию выполняют по сигналу с выхода порогового элемента демодулятора. Сначала сигнал на выходе порогового элемента демодулятора преобразуют в цифровую форму. Для этого длительность Т одной двоичной посылки делят на m временных интервалов длительности τ(τ<Т). В пределах каждого интервала принимают решение о его полярности. Двоичная посылка на выходе демодулятора задается m отсчетами в течение ее длительности
Для достаточно точного задания двоичной посылки число отсчетов в течение длительности посылки обычно не превышает величины m=16…24.
i
Фронтом двоичной посылки считают переход сигнала из уровня логического 0 в уровень логической 1 и обратно. Временной интервал в пределах посылки задают его фазой, которая может принимать значения  Фаза фронта равна ϕ, если справедливо
то есть при переходе от i-го отсчета в пределах посылки к (i+l)-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.
Пусть на длине N посылок получено n фронтов с фазами
Определение фазы неискаженных посылок может рассматриваться как задача статистической обработки данных и нахождения статистических оценок параметров. В нашем случае обрабатываемой статистикой является множество фаз фронтов принятых посылок (3). Векторные оценки фаз фронтов посылок наилучшим образом приспособлены к физической природе фаз фронтов, которые рассматривают в виде угловой величины на фазовой плоскости. Характерным для фазы фронтов является циклическая структура этой величины. Фаза, равная 0 эквивалентна фазе 2π. Поэтому средняя величина фазы (математическое ожидание) не может служить оценкой фазы неискаженных фронтов. Например, при поступлении фаз фронтов, равных π/8 и 15π/8, средняя фаза фронтов будет
Однако, по смыслу ясно, что фазы фронтов расположены вблизи 0, с разных сторон от 0 и равноудалены от него, и оценкой фазы неискаженных фронтов в данном случае служит величина фазы, равная 0, а не π.
Векторная оценка фазы фронтов больше соответствует физической природе фазы фронтов. При векторной оценке фазы фронтов каждому фронту посылок, то есть переходу отсчетов из 0 в 1 или обратно из 1 в 0, сопоставляют единичный вектор на декартовой плоскости с углом поворота относительно оси абсцисс, равным фазе рассматриваемого фронта.
a
a
i
i
Пусть отсчеты сигнала  i = 0, 1, 2, ...,  = 0,1 поступают с частотой m значений в течение длительности одной посылки и при i+1 отсчете произошло изменение уровня сигнала. Тогда фаза фронта запишется в виде
и прямоугольные координаты единичного вектора будут равны
i
i
Прямоугольные координаты x и y представляют собой квадратурные составляющие фазы фронтов принятых двоичных посылок. На их основе строят гистограммы квадратурных составляющих фазы фронтов. По гистограммам квадратурных составляющих фазы фронтов определяют суммарные значения квадратурных составляющих фазы фронтов принятых двоичных посылок. Прямоугольные координаты суммарного вектора, угол поворота которого является оценкой фазы неискаженных посылок, вычисляют по формулам
Наличие сигнала в канале можно определять по амплитуде суммарного вектора, которая должна превышать некоторое пороговое значение.
Тангенс фазы неискаженных фронтов двоичных посылок определяют в виде отношения суммарных значений квадратурных составляющих
И, далее оценку фазы фронтов неискаженных двоичных посылок определяют как арктангенс тангенса фазы неискаженных фронтов посылок
Вычисление тригонометрических функций (5) и (8) требует выполнения большого числа операций. Упростить определение этих функций возможно, используя заранее составленные таблицы тригонометрических преобразований. Вычисление значений квадратурных составляющих фаз фронтов принятых двоичных посылок выполняют по таблицам, входом которых является фаза фронтов принятых двоичных посылок, а выходом соответственно значения функций синуса и косинуса фазы фронтов принятых двоичных посылок. Оценку фазы фронтов принятых неискаженных двоичных посылок определяют по таблице, входом которой является тангенс фазы неискаженных фронтов двоичных посылок, а выходом сама фаза неискаженных фронтов двоичных посылок.
Для упрощения определения суммарных значений квадратурных составляющих фазы фронтов используют рекуррентные вычисления. Суммарные значения квадратурных составляющих фазы фронтов получают путем прибавления последних вычисленных значений синуса или косинуса фазы фронта и вычитания значений синуса или косинуса фазы фронтов, предшествующих n фронтам посылок перед последним фронтом.
Векторная диаграмма, поясняющая определение векторной оценки фазы неискаженных посылок представлена на фигуре.
Построение гистограммы распределения квадратурных составляющих фаз фронтов осуществляют в оперативной памяти. При этом выполняют простейшие операции увеличения содержимого памяти по определенному адресу на 1 или уменьшение содержимого памяти на 1. Для определения суммарных значений квадратурных составляющих или площади под гистограммой требуется выполнение только операций суммирования. Суммарные квадратурные составляющие можно определять с помощью рекуррентных соотношений, что существенно упрощает вычисления. Тригонометрические функции определяют с помощью заранее составленных табличных преобразований, что также не требует больших вычислительных затрат. Поэтому определение фазы фронтов неискаженных двоичных посылок по предложенному способу не вызывает затруднений.
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.
Достигаемым техническим результатом предложенного способа является повышение точности установления тактовой цифровой синхронизации за счет векторной оценки фазы фронтов входных двоичных посылок, соответствующей физической природе угловых величин, а также уменьшение вычислительной сложности реализации способа, так как для реализации способа требуется лишь выполнение простых арифметических операций и обращение к памяти, где записаны таблицы тригонометрических функций, что снижает требования к вычислительным ресурсам.