УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИЕМА ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ

Полезная модель относится к области систем передачи и приема дискретных сигналов.
k
Известны два класса методов приема дискретных сигналов с параметрами (n, k). Здесь n - длительность сигналов, М=2 - объем ансамбля сигналов. К первому классу относятся методы приема, реализующие критерий максимального правдоподобия (прием "в целом") [1]. Ко второму классу относятся методы посимвольного приема, реализующие критерий максимума символьных апостериорных вероятностей [2].
Известно устройство, реализующее правило приема из первого класса [1]. Это устройство содержит М корреляторов, М - входовый блок выбора максимального значения. Корреляторы вычисляют взаимные корреляции реализации на входе приемного устройства с множеством М используемых сигналов. Блок выбора максимального значения из М величин выдает решение относительно переданного сигнала путем определения номера коррелятора i (i=1, 2, …, M) с максимальным значением коэффициента корреляции.
При увеличении объема ансамбля дискретных сигналов М растет техническая сложность этого устройства, определяемая необходимостью исполнения М корреляторов. Это является ограничивающим фактором использования данного устройства для больших значений М [1]. Кроме того, решения относительно передаваемых сигналов не сопровождаются символьными апостериорными вероятностями, что снижает информативность производимых решений.
k
k
Известно устройство [3, 4] для приема дискретных сигналов, реализующее правило символьного приема и вычисляющее символьные апостериорные вероятности. Данное устройство предназначено лишь для приема дискретных сигналов с малой избыточностью, то есть для сигналов с параметрами n<2k. Для ансамблей дискретных сигналов с большой избыточностью, то есть для сигналов с параметрами n=2-1, М=2 (n>2k, эквидистантные сигналы), это устройство характеризуется чрезмерной сложностью исполнения. Это является его недостатком.
k
Известно устройство приема дискретных сигналов [5], которое отчасти преодолевает эту трудность и которое является наиболее близким по технической сути к предлагаемому устройству. Это устройство реализует прием "в целом" с использованием формирователя сигналов коэффициентов функции Уолша размерностью M=2. Устройство [5] содержит блок оперативной памяти, информационный первый вход которого является входом устройства, формирователь сигналов коэффициентов функции Уолша и детектор максимального сигнала, вход которого соединен с первым выходом формирователя сигналов коэффициентов функции Уолша, выход детектора максимального сигнала является выходом устройства, формирователь знака, генератор тактовых импульсов, ключ, первый и второй счетчики, блок поразрядного умножения, блок постоянной памяти, блок контроля четности, информационные входы формирователя знака соединены с соответствующими выходами блока оперативной памяти, выходы блока формирования знаков соединены с соответствующими информационными входами формирователя сигналов коэффициентов функции Уолша, второй выход которого соединен с первым входом ключа, второй вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а выход соединен с входом первого счетчика, первые установочные выходы которого соединены с соответствующими адресными входами блока оперативной памяти и блока постоянной памяти, последний установочный выход соединен с входом второго счетчика, синхронизирующим входом формирователя сигналов коэффициентов Уолша и третьим входом ключа, первые установочные выходы второго счетчика соединены с соответствующими первыми входами блока поразрядного умножения, вторые входы которого соединены с соответствующими выходами блока поразрядной памяти, выход блока поразрядного умножения соединен с входом блока контроля четности, выход которого соединен с управляющим входом формирователя знака, последний установочный выход второго счетчика с четвертым входом ключа. Его недостатком является то, что решения относительно передаваемых сигналов не сопровождаются апостериорными вероятностями для символов дискретных сигналов, что снижает информативность производимых решений.
Технической задачей, которая решается предлагаемым устройством, является повышение информативности решений путем реализации метода символьного приема и вычисления символьных апостериорных вероятностей из ансамблей эквидистантных дискретных сигналов, характеризуемых большой избыточностью.
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
Указанная техническая задача достигается тем, что в известное устройство для приема дискретных сигналов [5], содержащее блок оперативной памяти объемом 2-1, формирователь сигналов коэффициентов функции Уолша размерностью 2, при этом блок оперативной памяти имеет сигнальный и синхронизирующие входы и группу 2-1 выходов, формирователь сигналов коэффициентов функции Уолша имеет 2-1 входов, подключенных к группе 2-1 выходов блока оперативной памяти и 2 выходов, в него дополнительно введен блок вычисления символьных апостериорных вероятностей и блок компараторов, при этом блок вычисления символьных апостериорных вероятностей содержит 2 входов, соединенных с 2 выходами формирователя сигналов коэффициентов функции Уолша, и 2-1 выходов, являющихся первой группой выходов устройства, блок компараторов содержит 2-1 входов, соединенных с 2-1 выходами блока блок вычисления символьных апостериорных вероятностей, и 2-1 выходов, являющихся второй группой выходов устройства.
Блоки, указанные в отличительной части, выполняются на основе стандартных микросхем [6]. Использование этих блоков в совокупности с прототипом позволило создать устройство, которое не имеет аналогов и позволяет повысить информативность решений при приеме дискретных сигналов путем вычисления символьных апостериорных вероятностей.
Предложенное устройство и его работа поясняется рисунками. На фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого устройства для приема дискретных сигналов. На фиг.2. приведена блок-схема блока вычисления символьных апостериорных вероятностей. На фиг.3. приведена схема базового элемента алгоритма быстрого спектрального преобразования в базисе Уолша с операциями "сложение-вычитание". На фиг.4. приведена схема базового элемента модифицированного алгоритма быстрого спектрального преобразования в базисе Уолша с операцией "выбор максимального значения".
Предложенное устройство содержит
k
- блок 1 (фиг.1) оперативной памяти объемом 2-1, первый вход которого является входом устройства "Вход", а второй вход "Синхр. вход" является синхронизирующим входом устройства;
k
- формирователь 2 (фиг.1) сигналов коэффициентов функции Уолша размерностью 2, группа входов которого подключена к группе выходов блока 1 оперативной памяти;
- блок 3 (фиг.1) вычисления символьных апостериорных вероятностей;
k
- блок 4 (фиг.1) 2-1 компараторов;
- Выходы 5 и 6 (фиг.1) являются выходами устройства.
При этом
- группа входов формирователя 2 сигналов коэффициентов функции Уолша подключена к группе выходов блока 1 оперативной памяти;
- входы блока 3 вычисления символьных апостериорных вероятностей соединены с соответствующими выходами формирователя 2 сигналов коэффициентов функции Уолша;
- выходы блока 3 вычисления символьных апостериорных вероятностей соединены с соответствующими входами блока 4 компараторов;
- группа выходов 5 блока 3 вычисления символьных апостериорных вероятностей является одним выходом устройства, а группа выходов 6 блока 4 компараторов является его другим выходом.
3
Блок-схема блока 3 вычисления символьных апостериорных вероятностей для частного случая ансамбля сигналов объемом М=2 (k=3) приведена на фиг.2. Блок-схема содержит восемь входов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, каждый из которых подключен к соответствующему выходу формирователя 2 сигналов коэффициентов функции Уолша. Блок-схема содержит четыре столбца. Первый столбец содержит четыре двухвходовые схемы выбора максимального значения. Второй столбец содержит десять двухвходовых схем выбора максимального значения. Третий столбец содержит двенадцать двухвходовых схем выбора максимального значения. Четвертый столбец содержит семь схем вычитания.
Входы первой 15, второй 16, третьей 17 и четвертой 18 двухвходовых схем выбора максимального значения в составе первого столбца подключены соответственно к первому 7 и пятому 11, второму 8 и шестому 12, третьему 9 и седьмому 13, четвертому 10 и восьмому 14 выходам входам блока 3 вычисления символьных апостериорных вероятностей.
Входы первой 19 и второй 20 двухвходовых схем выбора максимального значения в составе второго столбца подключены соответственно к выходу первой 15 и к выходу третьей 17 схем выбора максимального значения, к выходу второй 16 и к выходу четвертой 18 схем выбора максимального значения в составе первого столбца. Входы третьей 21, четвертой 22, пятой 23, шестой 24, седьмой 25, восьмой 26, девятой 27 и десятой 28 двухвходовых схем выбора максимального значения в составе второго столбца подключены соответственно к первому 7 и третьему 9, пятому 11 и седьмому 13, второму 8 и четвертому 10, шестому 12 и восьмому 14, первому 7 и седьмому 13, пятому 11 и третьему 9, второму 8 и восьмому 14, четвертому 10 и шестому 12 выходам формирователя 2 сигналов коэффициентов функции Уолша.
Входы первой 29, второй 30, третьей 31 и четвертой 32 двухвходовых схем выбора максимального значения в составе третьего столбца подключены соответственно к выходу первой 15 и второй 16, третьей 17 и четвертой 18, первой 15 и четвертой 18, третьей 17 и второй 16 схем выбора максимального значения в составе первого столбца.
Входы пятой 33, шестой 34, седьмой 35, восьмой 36, девятой 37, десятой 38, одиннадцатой 39 и двенадцатой 40 двухвходовых схем выбора максимального значения в составе третьего столбца подключены соответственно к выходу третьей 21 и пятой 23, четвертой 22 и шестой 24, первой 21 и шестой 24, четвертой 22 и пятой 23, седьмой 25 и девятой 27, восьмой 26 и десятой 28, седьмой 25 и десятой 28, восьмой 26 и девятой 27 схем выбора максимального значения в составе второго столбца.
Входы уменьшаемого и входы вычитаемого первой 41, второй 42, третьей 43, четвертой 44, пятой 45, шестой 46 и седьмой 47 схем вычитания в составе четвертого столбца подключены соответственно к выходам двухвходовых схем выбора максимального значения 19 и 20, к выходам двухвходовых схем выбора максимального значения 31 и 32, к выходам двухвходовых схем выбора максимального значения 33 и 34, к выходам двухвходовых схем выбора максимального значения 35 и 36, к выходам двухвходовых схем выбора максимального значения 37 и 38, к выходам двухвходовых схем выбора максимального значения 39 и 40, к выходам двухвходовых схем выбора максимального значения 41 и 42. Выходы блоков вычисления апостериорных символьных вероятностей 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54 соответствуют вычисленным отношениям символьных апостериорных вероятностей , l=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и являются первой группой выходов устройства "Выход 5" и группой входов для блока компараторов 4, содержащих семь компараторов.
l
Входы первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого и седьмого компараторов в составе в составе блока 4 компараторов подключены соответственно к выходам 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54 блока 3 вычисления символьных апостериорных вероятностей. Выходы блоков компараторов соответствуют вычисленным оценкам значений сигнальных символов b, l=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и являются второй группой выходов устройства "Выход 6".
k
k-1
k+1
k-i+2
В общем случае блок 3 вычисления апостериорных символьных вероятностей содержит 2-1 схем вычитания и двухвходовые схемы выбора максимального значения, которые расположены в k столбцах. Первый столбец содержит 2 двухвходовых схем, для k=2 второй столбец содержит 4 двухвходовых схем, для k≥3 столбец с номером i, 2≤i≤k, содержит 2-2 двухвходовых схем выбора максимального значения.
Дадим описание процедуры посимвольного приема, которая реализуется приведенным устройством.
l
l
l
l
l
k
Пусть  - сигнал из ансамбля дискретных эквидистантных двоичных (b=±1) сигналов с параметрами (n=2-1,k);  - реализация на входе приемного устройства, соответствующая дискретному сигналу . Здесь z=b·d+n, d - энергетический параметр; n - помеха в канале.
Правило символьного приема основано на вычислении отношения правдоподобия  для апостериорных вероятностей [2]
l
l
l
Если , то принимается решение b=1, иначе b=-1. Решения относительно b сопровождаются значениями отношений символьных апостериорных вероятностей  с целью повышения их информативности.
При вычислении отношений символьных апостериорных вероятностей  в предлагаемом устройстве используется приближение
Этот подход упрощает вычисление величин , так как не требуется оценка энергетического параметра d и требуются лишь операции "сложение-вычитание-сравнение". Вычисления в (2) производятся по всем возможным сигналам , m=1, 2, …, M.
l
Вычисление  и b состоит из следующих этапов обработки .
Начало работы устройства определяется сигналом синхронизации "Синх. вход" после поступления дискретной реализации  в блок 1 оперативной памяти через вход устройства "Вход".
k
k
k
k-1
На первом этапе вычисляются суммы в выражении (2) , m=1, 2, …, М в формирователе 2 сигналов коэффициентов функции Уолша. В результате вычисляется дискретная последовательность  длительностью 2. При этом применяется алгоритм быстрого спектрального преобразования в базисе Уолша размерностью 2 над реализацией , обеспечивающий значительно большую скорость обработки  по сравнению с методом прямого вычисления . Алгоритм быстрого спектрального преобразования в базисе Уолша над дискретной функцией  длительностью n=2-1 представляется направленным графом, содержащем k столбцов, каждый столбец содержит 2 базовых элементов с операциями "сложение-вычитание" [7, 8]. На фиг.3 приведен вид этого базового элемента.
l
k
k
На втором этапе вычисляются величины  с использованием блока 3 вычисления апостериорных символьных вероятностей и величины b с использованием блока 4 компараторов. При вычислении  применяется модифицированный алгоритм быстрого преобразования в базисе Уолша размерностью 2 над дискретной функцией . Модифицированный алгоритм быстрого преобразования в базисе Уолша над дискретной функцией  длительностью 2 представляется графом, содержащем k+1 столбцов. Первые k столбцов содержат двухвходовые схемы выбора максимального значения, образующие базовые элементы с операцией "выбор максимального значения из двух величин". На фиг.4 приведен вид этого базового элемента. Последний (k+1)-ый столбец содержит двухвходовые схемы вычитания.
Таким образом, предлагаемое устройство решает поставленную техническую задачу повышения информативности решений путем вычисления символьных апостериорных вероятностей для дискретных эквидистантных сигналов, характеризуемых большой избыточностью.
Литература.
1. Витерби Э.Д. Принципы когерентной связи. М.: Советское радио. 1970.
2. Кларк Дж., Кейн Дж. Кодирование с исправлением ошибок в системах цифровой связи. М.: Радио и связь. 1987.
3. Смольянинов В.М., Назаров Л.Е. Применение спектрального преобразования в базисе Уолша при оптимальном посимвольном приеме сигналов, основанных на линейных кодах. // Радиотехника и электроника. 1997. Т.42. №10. Стр.1214-1219.
4. Ashkmin A., Litsyn S. Method and apparatus for MAP decoding of binary Hamming codes and related error correction codes. Patent USA, N 7,168,028 B2. Jan. 23, 2007.
5. Смольянинов В.М., Назаров Л.Е., Лабутин М.В. Устройство для приема дискретных сигналов. A.C. 1372344 кл. G08С 19/18 (прототип). Опубл. 07.02.88.
6. Точи Р.Дж., Уидмер Н.С. Цифровые системы. Теория и практика. М.: Изд. дом «Вильямс». 2004. 1024 с.
7. Трахтман A.M., Трахтман В.А. Основы дискретных сигналов на конечных интервалах. М.: Советское радио. 1975. 208 с.
8. Ермаков В.Ф., Каждан А.Э. Устройство для обратного преобразования Уолша. А.С. 2203505 кл. G06F 17/14. Опубл. 27.04.2003.