СПОСОБ ЦИКЛОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ Российский патент 2007 года по МПК H04L7/08 

Изобретение относится к электро- и радиосвязи и может быть использовано в приемных устройствах синхронизации по циклам систем передачи и перехвата дискретных сообщений.

Известен способ цикловой синхронизации, включающий последовательный поиск сосредоточенных синхрогрупп (ССГ) при одноразрядном сдвиге, формирование откликов при опознавании ССГ, дискретное накопление откликов в пределах известной длины цикла из N_ц тактовых интервалов (ТИ) при опробовании опознавателем ССГ анализируемой последовательности двоичных символов в течение нескольких циклов группового сигнала, при этом решение об искомом ТИ, который соответствует положению синхронизма, принимают по факту обнаружения на данном ТИ наибольшего количества откликов [1. Колтунов М.Н., Коновалов Г.В., Лангуров З.И. Синхронизация по циклам в цифровых системах связи. М.: Связь, 1980, с.40].

Недостатком известного способа является ограниченная область эффективного применения, поскольку он позволяет устанавливать цикловую синхронизацию при условии, что синхросигнал присутствует с начала интервала наблюдения (обработки) двоичной последовательности. При невыполнении этого условия данный способ характеризуется высоким уровнем ложной тревоги за время ожидания потока откликов истинных синхросигналов.

Известен способ безусловной цикловой синхронизации, включающий последовательный поиск ССГ при одноразрядном сдвиге, формирование откликов при опознавании ССГ, взвешенное дискретное накопление сигналов при наличии и отсутствии откликов ССГ. При этом логика взвешенного дискретного накопления сигналов состоит в следующем. Если на j-м ТИ отклик опознавателя ССГ отсутствует и состояние j-го накопителя суть начальное, равное β_j=-1, то состояние j-го накопителя сохраняют прежним, либо уменьшают на единицу при состоянии j-го накопителя β_j≥0. Если на j-м ТИ отклик опознавателя ССГ появился и состояние j-го накопителя суть начальное, равное β_j=-1, то состояние j-го накопителя устанавливают равным d≥0 либо увеличивают на d единиц при состоянии β_j≥0. Здесь d - целое, равное ]log р_л/log р_пр[+1, где р_л и р_пр - тактовые вероятности появления ложного и пропуска истинного откликов при опознавании ССГ соответственно; ]·[ - целая часть числа. В качестве решения о временном положении синхронизма выбирают ТИ (на известной длине цикла из N_ц ТИ), у которого соответствующий накопитель достиг наибольшего состояния к моменту окончания интервала наблюдения [2. Кислюк Л.Д. Оптимизация инерционных устройств кадровой синхронизации. - Вопросы радиоэлектроники, серия ТРС, 1972, вып.3, с.38, 39].

Известный способ характеризуется малым уровнем ложной тревоги и позволяет осуществлять безусловную цикловую синхронизацию при задержке синхросигнала на неопределенное число циклов [1., с.42].

Недостатком известного способа является ограниченная область эффективного применения из-за большого объема априорных и апостериорных данных, используемых при его технической реализации в виде соответствующего логического устройства [3. Патент РФ №2239953, МПК 7 H04L 7/08, 2004 г.].

Необходимость установления цикловой синхронизации возникает не только в ситуациях, когда все параметры группового сигнала известны, но также и в условиях неполной априорной информации о параметрах группового сигнала. Так, например, при перехвате дискретных сообщений ключевой задачей является вскрытие (определение) структуры ССГ группового сигнала. С учетом относительно небольшого числа целесообразных (эффективных) структур ССГ возможным подходом к решению этой задачи представляется метод перебора структур ССГ при условной (пробной) длине цикла, связанный с обнаружением регулярного (периодического) потока откликов опознавателя ССГ. При реализации этого методического подхода временные затраты на поиск неизвестной структуры ССГ могут быть существенно сокращены, если использовать способ цикловой синхронизации, инвариантный к длине цикла группового сигнала, а также к условиям его наблюдения. Однако среди известных требуемый способ цикловой синхронизации отсутствует.

Кроме того, способ синхронизации, инвариантный к длине цикла группового двоичного сигнала, актуален и для целей унификации интегральных узлов систем передачи дискретных сообщений.

Задачей настоящего изобретения является расширение области эффективного применения способа за счет обеспечения цикловой синхронизации при отсутствии априорных данных о длине цикла группового сигнала без потери помехоустойчивости.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе, включающем последовательный при одноразрядном сдвиге поиск и опознавание сосредоточенных синхрогрупп (ССГ) в групповом цифровом потоке, формирование при опознавании ССГ откликов на опробованных тактовых интервалах (ТИ), дополнительно измеряют в целых единицах ТИ и накапливают значения N≥3 временных интервалов (ВИ) между последовательными моментами появления откликов в виде первичной выборки ВИ и по ней вычисляют первую, вторую, ..., (N+1)-ю вторичные выборки ВИ между моментом появления первого, второго, ... (N+1)-го опорного отклика соответственно и моментами появления всех других откликов записанной реализации потока, вычисляют в рамках отдельных вторичных выборок ВИ наибольшие общие делители (НОД) возможных сочетаний по два и более ВИ, формируют для каждой вторичной выборки ВИ частный ряд распределения (спектр) значений НОД, величина которых превышает нижнюю границу возможной длины цикла группового сигнала, формируют путем суммирования всех частных спектров объединенный спектр НОД и обнаруживают регулярную последовательность истинных откликов ССГ по факту превышения заданного порога количеством совпадающих НОД, а за оценку длины цикла принимают абсциссу точки превышения порога обнаружения количеством совпадающих НОД в объединенном спектре, по порядковым номерам частных спектров НОД, в которых присутствуют многократные совпадения НОД с найденной длиной цикла , находят порядковые номера ТИ истинных откликов ССГ в первичной реализации их потока и проверяют их принадлежность к дискретному времени с тактом , используя оценку и последний по времени прихода истинный отклик ССГ, прогнозируют ТИ начала очередного цикла группового сигнала, при появлении на прогнозируемом ТИ ожидаемого отклика ССГ принимают его за последний (по времени прихода) истинный отклик ССГ и за импульс цикловой синхронизации, решение о входе в режим цикловой синхронизации принимают при появлении k≥2 откликов ССГ на m≥k следующих подряд прогнозируемых ТИ начала новых циклов, при непоявлении откликов ССГ на нескольких r≥2 следующих подряд прогнозируемых ТИ начала новых циклов принимают решение о входе в режим поиска синхронизма.

Линейная процедура накопления откликов опознавателя ССГ и анализ распределения результатов накопления этих откликов на группе (цикле) из N_цТИ, используемые в известном способе, заменены в предложенном способе процедурой построения и анализом статистического распределения целочисленных значений непараметрической статистики наибольшего общего делителя (НОД) целочисленных значений (в целых единицах ТИ) случайных временных интервалов (ВИ) между откликами опознавателя ССГ.

Благодаря избирательным свойствам статистики НОД при различении выборок случайных временных интервалов потоков с разным дискретным временем (в нашем случае это поток ложных откликов с тактовым интервалом Т_с последовательности двоичных сигналов и поток истинных откликов опознавателя ССГ с тактовым интервалом Т_ц=N_цТ_с(N_ц>10), равным длине цикла группового сигнала), обеспечивается совместное обнаружение потока истинных откликов ССГ и оценка длины цикла группового сигнала в присутствии ложных откликов ССГ.

В результате этого по вскрытой реализации потока истинных откликов ССГ с использованием найденной оценки длины цикла осуществляют прогнозирование ТИ (моментов) начала новых циклов группового сигнала. Отклики ССГ, которые появляются на прогнозируемых ТИ, являются импульсами цикловой синхронизации. Обработка потока импульсов цикловой синхронизации решающим узлом в соответствии с известными правилами [1] обеспечивает определение моментов входа в режим и выхода из режима цикловой синхронизации.

Более подробно существо предложенного способа цикловой синхронизации рассмотрим с использованием временных диаграмм, приведенных на фиг.2, 3, и результатов имитационного моделирования на ЭВМ, приведенных на фиг.4.

Пусть наблюдается реализация случайного потока откликов опознавателя ССГ ϕ[n] с дискретным временем t_n=nT_c, n=1, 2, ... (фиг.2а), состоящая из пяти истинных откликов ССГ №1, 3, 5, 7, 9 при одном пропуске отклика ССГ, и четырех ложных откликов опознавателя ССГ №2, 4, 6, 8, образованных в результате случайного совпадения информационных сигналов с синхрогруппой.

Рабочей информацией для предложенного способа цикловой синхронизации являются измеренные в целых единицах ТИ временные интервалы (ВИ) между последовательными дискретными моментами появления откликов опознавателя ССГ. Целочисленные значения восьми ВИ, составляющие первичную выборку, записываем в нулевую строку таблицы, приведенной на фиг.3.

По значениям ВИ первичной выборки вычисляем первую, вторую, ..., восьмую вторичные выборки ВИ, отсчитываемых в двух направлениях («в прошлое» и «в будущее») относительно момента (ТИ) появления соответственно первого, второго, ..., девятого опорного отклика до моментов появления каждого отклика записанной реализации потока ϕ[n]. Целочисленные значения ВИ первой, второй, ..., девятой вторичных выборок записываем в соответствующие строки таблицы (фиг.3).

В рамках каждой вторичной выборки из восьми ВИ выполняем перебор возможных сочетаний по два и более ВИ и для каждого сочетания ВИ определяем НОД их значений.

По результатам обработки отдельных вторичных выборок ВИ формируем частные спектры целочисленных НОД (фиг.4а, б, в, ..., з, и). Одновременно формируем объединенный спектр значений НОД путем суммирования усеченных слева частных спектров значений НОД≥N_цо (фиг.4к), где N_цо - минимально возможная длина цикла.

По факту превышения заданного порога (в нашем примере N_пор=15) количеством совпадающих значений НОД в объединенном спектре принимаем решение о совместном обнаружении регулярной последовательности откликов опознавателя ССГ и оценке длины цикла группового сигнала. Далее, по порядковым номерам частных спектров, в которых отмечено многократное совпадение значений НОД с оценкой длины цикла , находим истинные отклики опознавателя ССГ с проверкой их принадлежности к единому дискретному времени с тактом . В рассматриваемом примере ими являются отклики под номерами №1, 3, 5, 7, 9.

На основе вскрытой реализации потока истинных откликов опознавателя ССГ с использованием найденной длины цикла прогнозируем порядковый номер ТИ начала нового цикла группового сигнала относительно момента появления, например, последнего по времени появления пятого истинного отклика 9 (фиг.2в)

где n_кор - величина коррекции относительного дискретного времени n_пр, равная n₁₉, с целью «привязки» его нулевого значения к моменту появления последнего по времени вскрытия истинного отклика ССГ (фиг.2б).

В случае появления на прогнозируемом ТИ (фиг.2в) отклика ССГ №11 принимаем его за импульс цикловой синхронизации (фиг.2г). Решение о входе в состояние цикловой синхронизации принимаем при появлении k≥2 откликов на m≥k прогнозируемых подряд ТИ начала новых циклов группового сигнала. При непоявлении откликов ССГ на нескольких r≥2 следующих подряд прогнозируемых ТИ начала новых циклов принимаем решение о выходе из состояния цикловой синхронизации (или о входе в режим поиска цикловой синхронизации путем накопления новой выборки ВИ).

Таким образом, в заявленном способе цикловая синхронизация осуществляется при отсутствии априорных данных о длине цикла группового сигнала. Длина цикла в единицах ТИ определяется в ходе обработки ВИ с помощью статистики НОД, которая по отношению к их целочисленным значениям проявляет потенциальную (максимальную) помехоустойчивость [4. Анишин А.С., Батурин Ю.О. Алгоритм оценки тактового интервала случайного потока событий с дискретным временем. /Радиотехника (Журнал в журнале) 2002, №10, с.73-77].

Предложенный способ цикловой синхронизации удовлетворяет критерию «новизна», поскольку результаты выполненного заявителем анализа аналогов прототипа не позволили выявить признаки, тождественные всем существенным признакам данного изобретения.

Предложенный способ цикловой синхронизации имеет изобретательский уровень, так как из опубликованных научных данных и известных технических решений [5. Патент РФ №2230331, МПК 7 G01R 23/02, H04B 17/00, 2004] явным образом не следует, что заявленная совокупность физических и математических операций, выполняемых известными способами в процессе обработки реализации случайного потока откликов ССГ, позволит осуществлять синхронизацию при отсутствии априорных данных о длине цикла группового двоичного сигнала в целых единицах его ТИ.

В предложенном способе, в отличие от известных [4, 5], использован унифицированный (стандартный) оператор вычисления НОД целочисленных величин [6. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике, изд. 8-е, М.: Физматгиз, 1959].

Предложенный способ цикловой синхронизации промышленно применим, поскольку его техническая реализация возможна с использованием типовых логических и структурных элементов дискретной и вычислительной техники.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства, реализующего заявленный способ, на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие сущность способа и работу устройства, на фиг.3 - таблица первичной и вторичных выборок ВИ в единицах ТИ, на фиг.4 - частные и объединенное распределения (спектры) значений НОД, полученные в результате обработки входной реализации потока откликов.

Устройство, реализующее заявленный способ, содержит (фиг.1) опознаватель ССГ1, блок 2 задания размера первичной выборки из N ВИ, элемент ИЛИ3, измеритель 4 ВИ, вычислитель 5, таймер 6, компаратор 7 двоичных кодов, элемент И8, элемент ЗАПРЕТ9 и решающий узел 10. При этом сигнальный вход ГС («групповой сигнал») устройства соединен с соответствующим входом опознавателя ССГ1, выход которого подключен ко входу блока 2 задания размера выборки ВИ, выход которого соединен со входом пуска таймера 6 и через элемент ИЛИ3 подключен ко входу измерителя 4 ВИ, разрядный выход которого соединен с разрядным входом вычислителя 5, первый разрядный выход вычислителя 5 соединен с разрядным входом коррекции таймера 6, разрядный выход которого соединен с первым входом компаратора 7, второй разрядный вход компаратора 7 подключен ко второму выходу вычислителя 5, а выход компаратора 7 соединен с объединенными прямым входом элемента ЗАПРЕТ9 и первым входом элемента И8, выход которого является выходом синхроимпульсов и соединен со вторым входом элемента ИЛИ3 и первым входом решающего узла 10, второй вход которого подключен к выходу элемента ЗАПРЕТ9, инверсный вход которого, объединенный со вторым входом элемента И8, подключен к выходу опознавателя ССГ1, тактовый вход ТИ опознавателя ССГ1 объединен с одноименными входами устройства измерителя 4 ВИ и таймера 6. Блок 2 имеет разрядный вход задания размера N выборки ВИ, а решающий узел 10 имеет выход 1 индикации режима синхронизации и выход 2 индикации режима поиска синхронизма, при этом выход 2 решающего узла 10 соединен со входом запуска блока 2 задания размера выборки ВИ.

Устройство, реализующее предложенный способ, работает следующим образом. Последовательность двоичных сигналов параллельно с потоком тактовых импульсов поступают на соответствующие входы опознавателя ССГ1, который, осуществляя последовательный (скользящий) поиск с одноразрядным сдвигом, формирует истинные и ложные отклики ССГ. Поток откликов с выхода опознавателя ССГ1 поступает на вход блока 2 задания размера выборки ВИ. С выхода блока 2 серия из (N+1) откликов опознавателя ССГ1 через элемент ИЛИ3 поступает на вход измерителя 4 ВИ. При этом первый отклик серии запускает таймер 6, который обеспечивает относительное дискретное время работы устройства в единицах ТИ. Измеритель 4 ВИ в двоичном коде выдает целочисленные значения ВИ между последовательными моментами появления откликов серии размером N на разрядный вход вычислителя 5. На основе первичной выборки из N ВИ вычислитель 5 по правилу суммирования значений соответствующих ВИ первичной выборки формирует (N+1) вторичных выборок ВИ. Для каждого сочетания по два и более ВИ отдельных вторичных выборок вычислитель 5 находит НОД их значений. В рамках отдельных вторичных выборок ВИ вычислитель 5 формирует частные спектры значений НОД (фиг.4а, б, в, ..., з, и). Из частных спектров НОД вычислитель 5 формирует объединенный спектр (фиг.4к) и по факту превышения заданного порога N_пор=15 количеством совпадающих НОД, значения которых превышают нижнюю границу N_цо=10 области ожидаемой длины цикла группового сигнала, принимает решение об обнаружении регулярной последовательности истинных откликов ССГ. При этом абсцисса точки совпадения НОД в объединенном спектре, в которой (точке) произошло превышение порога N_пор количеством совпадающих НОД>N_цо, принимается за оценку длины цикла группового сигнала.

По порядковым номерам вторичных выборок ВИ, при обработке которых совпадение значений НОД происходило в точке с абсциссой найденной длины цикла, вычислитель 5 определяет порядковые номера истинных откликов ССГ (фиг.2б). Двоичный код n_кор относительного дискретного времени появления, например, последнего по моменту вскрытия (девятого) истинного отклика ССГ, вычислитель 5 выдает на вход коррекции состояния таймера 6. Вычитая из кода текущего состояния таймера 6 код коррекции относительного дискретного времени, вычислитель 5 приводит текущее время работы устройства к моменту вскрытия последнего истинного отклика ССГ. Код откорректированного текущего времени таймера 6 поступает на первый вход компаратора 7, на втором разрядном входе которого присутствует код прогнозируемого ТИ начала нового цикла n_пр=N_ц. В момент равенства двоичных кодов на двух входах компаратора 7 формируется импульсный сигнал длительностью Т_с (фиг.2в), который поступает на объединенные первый и прямой входы логических элементов И8 и ЗАПРЕТ9 соответственно. При совпадении очередных откликов опознавателя ССГ1 с прогнозируемыми ТИ начала новых циклов на выходе элемента И8 формируется поток импульсов цикловой синхронизации (фиг.2г). Соответственно на выходе элемента ЗАПРЕТ9 формируется поток импульсов, означающих пропуски истинных откликов опознавателя ССГ1 на прогнозируемых ТИ (фиг.2д).

Поток импульсов цикловой синхронизации с выхода элемента И8 поступает на первый вход решающего узла 10, в котором в соответствии с заданным критерием (правилом) k/m вырабатывается решение о входе в режим цикловой синхронизации (вых.1 решающего узла 10). Одновременно импульсы цикловой синхронизации через элемент ИЛИ3 поступают на вход измерителя ВИ4, двоичные коды которого используются в вычислителе 5 для выработки кода коррекции относительного дискретного времени таймера 6.

Поток импульсов с выхода элемента ЗАПРЕТ9 (фиг.2д) поступает на второй вход решающего узла 10, в котором по второй части r составного критерия («k/m-r») вырабатывается сигнал о выходе из режима цикловой синхронизации и о входе в режим поиска синхронизма (вых.2). Этим сигналом запускается блок 2 задания размера выборки ВИ для записи новой реализации потока откликов опознавателя ССГ1.

Опознаватель ССГ1 может быть построен по схеме, содержащей регистр сдвига и дешифратор [1, с.86, рис.4.1]. Блок 2 задания размера N выборки представляет собой известное устройство для формирования серии (пачки) из (N+1) импульсов входящего потока [А.с. 1520513, СССР, кл. 4 G06F 7/58, 1989]. Измеритель 4 ВИ может быть построен по известной схеме [Мирский Г.Я. Радиоэлектронные измерения. М.: «Энергия», 1983, с.175]. В качестве вычислителя 5 может быть использован микропроцессор. Таймер 6 является двоичным счетчиком временных меток со схемой вычитания кода коррекции относительного (внутреннего) времени работы устройства. Компаратор 7 является известной логической схемой сравнения двух двоичных кодов. Решающий узел 10 может быть построен по схеме, содержащей счетчики и логические элементы [1, c.137, 138, рис.6.6-6.8]. Остальные элементы устройства являются типовыми элементами дискретной и вычислительной техники.

Таким образом, предложенный способ цикловой синхронизации технически реализуем и в сравнении с прототипом может быть использован в условиях отсутствия априорных данных о точной длине цикла группового двоичного сигнала. Заявленный способ ориентирован на решение актуальной задачи перехвата дискретных сообщений в условиях априорной неопределенности о параметрах группового двоичного сигнала при наличии мешающих факторов, а также может быть использован при разработке унифицированных (инвариантных к длине цикла) узлов синхронизации систем передачи дискретных сообщений.

Способ относится к электро- и радиосвязи и может быть использован в приемных устройствах цикловой синхронизации систем передачи и перехвата дискретных сообщений. Технический результат - расширение функциональных возможностей за счет обеспечения цикловой синхронизации при отсутствии априорных данных о длине цикла группового сигнала без потери помехоустойчивости. В способе, включающем последовательный поиск с одноразрядным сдвигом, опознавание сосредоточенных синхрогрупп (ССГ) в групповом цифровом потоке и формирование при опознавании ССГ откликов на опробованных тактовых интервалах (ТИ), измеряют в единицах ТИ временные интервалы (ВИ) между последовательными моментами появления откликов на выходе опознавателя ССГ. Накапливают первичную выборку из N≥3 значений ВИ. Вычисляют вторичные выборок ВИ между моментом появления первого, второго, ..., (N+1)-го опорного отклика соответственно и моментами появления всех других откликов первичной выборки. В рамках отдельных вторичных выборок ВИ вычисляют наибольшие общие делители (НОД) возможных сочетаний по два и более ВИ и формируют частные ряды (спектры) распределения НОД, значения которых превышают нижнюю границу области возможных длин цикла группового сигнала. Формируют объединенный спектр значений НОД путем суммирования всех частных спектров НОД. Обнаруживают регулярную последовательность истинных откликов ССГ по факту превышения заданного порога количеством совпадающих НОД в объединенном спектре, а за длину цикла принимают абсциссу точки совпадения НОД. По порядковым номерам частных спектров НОД, в которых присутствуют многократные совпадения НОД с найденной длиной цикла, определяют истинные отклики ССГ в первичной реализации x потока. Прогнозируют ТИ начала очередных циклов группового сигнала. При появлении на прогнозируемых ТИ откликов ССГ принимают их за импульсы цикловой синхронизации. Решения о входе в режим и о выходе из режима цикловой синхронизации принимают по составному критерию «k/m-r». 9 ил.

Способ цикловой синхронизации, включающий последовательный при одноразрядном сдвиге поиск и опознавание сосредоточенных синхрогрупп (ССГ) в групповом цифровом потоке, формирование при опознавании ССГ откликов на опробованных тактовых интервалах (ТИ), отличающийся тем, что измеряют в целых единицах ТИ и накапливают значения N≥3 временных интервалов (ВИ) между последовательными моментами появления откликов в виде первичной выборки ВИ и по ней вычисляют первую, вторую,..., (N+1)-ю вторичные выборки ВИ между моментом появления первого, второго,...(N+1)-го опорного отклика соответственно и моментами появления всех других откликов записанной реализации потока, вычисляют в рамках отдельных вторичных выборок ВИ наибольшие общие делители (ИОД) возможных сочетаний по два и более ВИ, формируют для каждой вторичной выборки ВИ частный ряд распределения (спектр) НОД, значения которых превышают нижнюю границу возможной длины цикла группового сигнала, формируют путем суммирования всех частных спектров объединенный спектр НОД и обнаруживают регулярную последовательность истинных откликов ССГ по факту превышения заданного порога количеством совпадающих НОД, а за оценку длины цикла принимают абсциссу точки превышения порога обнаружения количеством совпадающих НОД в объединенном спектре, по порядковым номерам частных спектров НОД, в которых присутствуют многократные совпадения НОД с найденной оценкой длины цикла , находят порядковые номера ТИ истинных откликов ССГ в первичной реализации потока и проверяют их принадлежность к единому дискретному времени с тактом , используя оценку и последний по времени прихода истинный отклик ССГ, прогнозируют ТИ начала очередного цикла группового сигнала, при появлении на прогнозируемом ТИ ожидаемого отклика ССГ принимают его за последний по времени прихода истинный отклик ССГ и за импульс цикловой синхронизации, решение о входе в режим цикловой синхронизации принимают при появлении k≥2 откликов ССГ на m≥k следующих подряд прогнозируемых ТИ начала новых циклов, при непоявлении откликов ССГ на нескольких r≥2 следующих подряд прогнозируемых ТИ начала новых циклов принимают решение о входе в режим поиска синхронизма путем накопления новой выборки временных интервалов.