УСТРОЙСТВО ДЛЯ МАЖОРИТАРНОГО ВЫБОРА СИГНАЛОВ Российский патент 2013 года по МПК G06F11/07 

Изобретение относится к области радиотехники и может найти применение в радиосредствах специальной радиосвязи для высоконадежной передачи данных по радиоканалу в условиях воздействия комплекса помех.

Известно устройство, описанное в [1], в котором за счет включения логических элементов в контур мажоритарного избирания устройство будет продолжать нормально функционировать и подавать сигнал на исполнительный элемент при выходе из строя одного любого функционального элемента.

Известно устройство, описанное в [2], в котором повышается надежность функционирования за счет снижения аппаратных затрат.

Недостатками вышеупомянутых устройств являются сложность реализации и низкая надежность.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, описанное в [3], принятое за прототип.

Функциональная схема устройства-прототипа приведена на фиг.1, где приняты следующие обозначения:

1 - мажоритарный элемент;

7 - генератор тактовых импульсов (ГТИ);

13 - реверсивный счетчик;

14 - первый элемент И;

15 - второй элемент И;

16 - первый элемент И-НЕ;

17 - второй элемент И-НЕ;

18 - первый D-триггер;

19 - второй D-триггер;

20 - третий D-триггер;

21 - четвертый D-триггер;

22 - пятый D-триггер;

23 - входная шина;

24 - выходная шина;

25 - первый канал;

26 - второй канал;

27 - n-й канал.

Устройство-прототип содержит выходы первого 16 и второго 17 элементов И-НЕ, подключенные к первым входам соответственно первого 14 и второго 15 элементов И, выходы которых соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами реверсивного счетчика 13. Первые входы первого 16 и второго 17 элементов И-НЕ соединены с прямым и инверсным выходами (m-1)-го разряда реверсивного счетчика 13, а вторые входы этих элементов И-НЕ соединены соответственно с инверсным и прямым выходом m-го разряда реверсивного счетчика 13. Выход реверсивного счетчика 13 соединен с первым входом мажоритарного элемента 1 и соответствующими входами мажоритарного элемента других каналов. Последовательно соединены второй 19, третий 20, четвертый 21 и пятый 22 D-триггеры, второй вход второго элемента И 15 соединен с выходом первого D-триггера 18, вход D которого подключен к входной шине 23, а вход С первого D-триггера 18 соединен с прямым выходом ГТИ 7 и входом С четвертого D-триггера 21, инверсный выход ГТИ 7 соединен с входом С третьего 20 и пятого 22 D-триггера, выход которого подключен к входу R второго D-триггера 19, вход D которого соединен с его высокопотенциальной шиной питания U, вход С второго D-триггера 19 подключен к выходу мажоритарного элемента 1, а выход второго D-триггера 19 соединен с выходной шиной канала 24, выход третьего D-триггера 20 соединен с вторым входом 14.

Устройство-прототип работает следующим образом.

Входные сигналы X₁, Х₂, Х_П поступают на входы 23 (входы D первого D-триггера 18) соответствующих каналов устройства. Для наглядности примем, что n=3 и все реверсивные счетчики находятся в нулевом состоянии, а логической единице соответствует высокий уровень сигнала. В этом случае нулевые уровни с прямых выходов (m-1)-гo и m-го разрядов реверсивного счетчика 13 поступают на первый вход первого элемента И-НЕ 16 и второй вход второго элемента И-НЕ 17 соответственно. В результате на их выходах будет высокий уровень, который и поступит на первые входы первого 14 и второго 15 элементов И. Входной импульс, например X₁, появляется на выходе D-триггера 18 по переднему фронту импульса с прямого выхода ГТИ 7 (период следования импульсов Т_Г ГТИ 7 выбирается меньше длительности Т_И входного импульса X₁). Импульс с выхода D-триггера 18 поступает на второй вход второго элемента И 15 и формирует на его выходе высокий уровень, который, поступая на вычитающий вход реверсивного счетчика 13, переводит его в состояние "минус единица" (во всех разрядах единицы). В результате высокий уровень с его прямого выхода старшего разряда m поступит на первый вход мажоритарного устройства 1 первого канала 25 и соответствующие входы остальных каналов.

Далее нулевые уровни сигналов с инверсных выходов (m-1)-гo и m-гo разрядов реверсивного счетчика 13 поступают на первый вход первого элемента И-НЕ 16 и второй вход второго элемента И-НЕ 17, в результате чего на их выходах останется высокий уровень. После того как на любой другой вход устройства, например на второй, поступит импульс Х₂, он также будет воспринят реверсивным счетчиком второго канала 16. В результате высокий уровень сигнала с прямого выхода его старшего разряда попадает на вход мажоритарного устройства 1 своего канала и соответствующие входы мажоритарного устройства других каналов. При наличии двух высоких уровней на входах мажоритарного элемента 1 всех каналов на его выходе появится высокий уровень, который поступает на вход С второго D-триггера 19 всех каналов. На входе D этого триггера постоянно присутствует высокий уровень U, в результате чего D-триггер 19 устанавливается в единичное состояние по переднему фронту выходного импульса мажоритарного элемента 1.

Выходной сигнал второго D-триггера 19 всех каналов поступает на выходную шину 24 и вход D третьего D-триггера 20. Далее последовательно будут устанавливаться в единичное состояние третий D-триггер 20 по переднему фронту импульса с инверсного выхода ГТИ 7, четвертый D-триггер 21 по переднему фронту импульса с прямого выхода ГТИ 7, пятый D-триггер 22 по переднему фронту импульса с инверсного выхода ГТИ 7. Выходной импульс третьего D-триггера 20 всех каналов поступает на второй вход первого элемента И 14 и формирует на его выходе высокий уровень, который поступает на суммирующий вход реверсивного счетчика 13. В результате состояние всех реверсивных счетчиков увеличится на единицу - реверсивный счетчик 13 первого канала 25 и реверсивный счетчик 13 второго канала 26 будут обнулены, а реверсивный счетчик 13 третьего канала 27 перейдет в состояние "+1" (единица в младшем разряде). Если далее на вход третьего канала 27 поступит импульс Х₃, то в соответствии с приведенным описанием этот импульс проходит на вычитающий вход реверсивного счетчика 13 своего канала и переводит реверсивный счетчик 13 третьего канала 27 в нулевое состояние.

После установки пятого D-триггера 22 в единичное состояние его выходной сигнал устанавливает второй D-триггер 19 в нулевое состояние, после чего происходит последовательная установка в нулевое состояние третьего 20, четвертого 21 и пятого 22 D-триггеров и схема приходит в исходное состояние.

Таким образом, устройство выбирает среднюю по числу импульсов последовательность и все выходные сигналы устройства формируются синхронно.

Недостатком устройства-прототипа является невозможность его применения в сетях связи, использующих структурную защиту передаваемой информации (например, использующих радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты). В таких сетях связи особенно актуальна синхронизация линии связи за счет периодически посылаемых от передатчика к приемнику синхропосылок с повторами. Структура же устройства-прототипа рассчитана на прием сигнала с высокой вероятностью ошибки первого рода: несмотря на отсутствие сигнала, под действием выбросов шума принимается неправильное решение о наличии сигнала. Как следствие этого, ошибочное принятие решения устройством-прототипом о наличие в шуме, например, битов синхропосылки, может привести к комплексу нежелательных последствий для сети связи в целом.

В связи с этим для повышения качества работы мажоритарного критерия необходима предварительная обработка принимаемой информации с целью минимизации ошибок мажоритарного выбора.

Таким образом, задачей предлагаемого устройства является введение адаптации приемника к изменениям помеховой обстановки и уменьшение потерь информации.

Достигаемый при этом технический результат - повышение помехоустойчивости за счет минимизации воздействия выбросов шума на аппаратуру связи, составной частью которой является данное устройство, и повышение достоверности приема информации.

Для реализации данного технического результата в устройство, содержащее генератор тактовых импульсов (ГТИ) и мажоритарный элемент, согласно изобретению введены n счетчиков-защелок, n демультиплексоров, n арифметико-логических устройств, (n+1) компараторов, n схем сравнения, решающее устройство, преобразователь, сумматор и блок управления, причем решающее устройство, вход которого является входом устройства, последовательно соединено с преобразователем и 1-м - n-м счетчиком-защелкой, причем первые выходы 1-го - n-го счетчиков-защелок соединены с последовательно соединенными сумматором, первым компаратором и блоком управления, l-й -n-й выходы которого соединены соответственно со вторыми входами 1-го - n-го демультиплексоров; вторые выходы 1-го - n-го счетчиков-защелок соединены соответственно с первыми входами 1-го - n-го демультиплексоров, первые выходы которых соединены с мажоритарным элементом, выход которого является выходом устройства; вторые выходы 1-го - n-го демультиплексоров соединены соответственно с 1-й - n-й схемами сравнения, выходы которых соединены соответственно с 1-м - n-м арифметико-логическими устройствами, выходы которых соединены соответственно с 2-м - (n+1)-м компараторами, выходы которых соединены соответственно с 2-м - (n+1)-м входами блока управления; синхровходы 1-го - n-го счетчиков-защелок, 1-го - n-го демультиплексоров, 1-го - n-го арифметико-логических устройств, 1-го - (n+1)-го компараторов, 1-й - n-й схем сравнения, мажоритарного элемента, решающего устройства, преобразователя, сумматора и блока управления соединены с выходом ГТИ.

Функциональная схема предлагаемого устройства для мажоритарного выбора сигналов приведена на фиг.2, где приняты следующие обозначения:

1 - мажоритарный элемент;

2₁-2_n - 1-й - n-й счетчики-защелки (СЗ1-СЗn);

3 - сумматор;

4₁-4_n - 1-й - n-й компараторы;

5 - блок управления (БУ);

6₁-6_n - 1-й - n-й демультиплексоры (Дм1-Дмn);

7 - генератор тактовых импульсов (ГТИ);

8 - решающее устройство (РУ);

9₁-9_n - 1-я - n-я схемы сравнения (CC1-CCn);

10 - (n+1)-й компаратор;

11 - преобразователь;

12₁-12_n - 1-е - n-е арифметико-логические устройства (АЛУ1-АЛУn).

Заявляемое устройство содержит последовательно соединенные решающее устройство 8, вход которого является входом устройства, преобразователь 11 и 1-й - n-й счетчики-защелки 2₁-2_n, причем первые выходы 1-го - n-го счетчиков-защелок 2₁-2_n соединены с последовательно соединенными сумматором 3, (n+1)-м компаратором 10 и блоком управления 5, 1-й - n-й выходы которого соединены соответственно со вторыми входами 1-го - n-го демультиплексоров 6₁-6_n.

Вторые выходы 1-го - n-го счетчиков-защелок 2₁-2_n соединены соответственно с первыми входами 1-го - n-го демультиплексоров 6₁-6_n, первые выходы которых соединены с мажоритарным элементом 1, выход которого является выходом устройства.

Вторые выходы 1-го - n-го демультиплексоров 6₁-6_n соединены соответственно с 1-й - n-и схемами сравнения 9₁-9_n, выходы которых соединены соответственно с 1-м - n-м арифметико-логическими устройствами 12₁-12_n, выходы которых соединены соответственно с 1-м - n-м компараторами 4₁-4_n выходы которых соединены соответственно с 2-м - (n+1)-м входами блока управления 5.

Синхровходы 1-го - n-го счетчиков-защелок 2₁-2_n, 1-го - n-го демультиплексоров 6₁-6_n, 1-го - n-го арифметико-логических устройств 12₁-12_n, 1-го - (n+1)-го компараторов 10, 4₁-4_n, 1-й - n-й схем сравнения 9₁-9_n, мажоритарного элемента 1, решающего устройства 8, преобразователя 11, сумматора 3 и блока управления 5 соединены с выходом ГТИ.

Устройство работает следующим образом.

Непрерывное радиочастотное колебание, переведенное в область видеочастот, поступает в РУ 8. В РУ 8 на основе дискретизации сигнала по времени и по амплитуде принимается решение о длине исследуемого вектора. Для увеличения точности последующих измерений результаты дискретизации в блоке 11 переводятся из формы числа с фиксированной точкой в форму числа с плавающей точкой.

Получаемые в блоках 8 и 11 векторы переменной длины загружаются последовательно в блоки 2₁-2_n по следующему принципу (где β - порядковый номер получаемого в блоке 11 вектора):

При β<n:

- при получении β-го вектора запись производится только в блоки 2_γ, где γ∈[1,β], причем для данного интервала в 2_γ-й блок записывается (|γ-β-1|)-й вектор.

При β≥n:

- при получении β-го вектора в 2_n-й блок записывается (β-n+1)-й вектор.

После записи в каждый из блоков 2₁-2_n их значение длины поступает в сумматор 3, откуда вычисленное значение суммы поступает в блок 10, где происходит сравнение с имеющимся первым контрольным значением (КЗ1). КЗ1 соответствует числу, равному сумме длин векторов, содержащихся в блоках 2₁-2_n, при условии, что их длины равны.

Результаты сравнения в блоке 10 поступают в БУ 5. При условии достижения равенства контрольному значению в блоке 10 БУ 5 вырабатывает управляющие сигналы для адресных входов демультиплексоров 6₁-6_n, согласно которым входной сигнал из соответствующего блоку 6_j (где j∈[1,n]) блока 2_j поступает соответственно в блок 9_j.

Схемы сравнения являются блоками хранения эталонного сигнала. И на выходах блоков 9₁-9_n формируется результат сравнения с эталонным сигналом полученных в блоках 8 и 11 векторов. Данные результаты из блоков 9₁-9_n поступают соответственно в АЛУ 12₁-12_n, где на основе некоторых критериев (определяемых из условий оптимального соотношения вероятностей ложных тревог и правильного приема) определяется окончательное отклонение вектора от эталонного распределения.

Полученные величины отклонений из АЛУ 12₁-12_n поступают соответственно в блоки 4₁-4_n, где происходит сравнение с имеющимся вторым контрольным значением (КЗ2).

Результаты сравнения в блоках 4₁-4_n поступают в БУ 5. На их основе (для тех из блоков 4₁-4_n, где произошло превышение КЗ2) БУ 5 вырабатывает управляющие сигналы для адресных входов соответствующих демультиплексоров 6₁-6_n, согласно которым входной сигнал из соответствующих блоков 2₁-2_n поступает в блок 1, где на основании мажоритарных критериев происходит окончательное определение битов в принятых векторах.

С выхода ГТИ 7 на все блоки данного устройства подаются тактовые импульсы, определяющие начало каждой микрооперации, в результате чего обеспечивается синхронизация работы устройства в целом.

РУ может быть реализовано на основе схем, описанных в [4]. Регистры-защелки могут быть реализованы физически на базе элементов, описанных в [5]. СС 9₁-9_n могут быть реализованы в виде дискретных согласованных фильтров. Блок 1 может быть выполнен в виде логических элементов [6].

Устройство в целом может быть реализовано в виде перепрограммируемого цифрового устройства, например XC3S400-4PQ208I [7].

Таким образом, введение в предлагаемом устройстве новых блоков и связей позволяет увеличить достоверность приема информации за счет адаптации к изменению помеховой обстановки, что позволяет применять его в спецсвязи в условиях воздействия комплекса помех.

Источники информации

1. Патент РФ на изобретение №2298823 "Устройство мажоритарного резервирования (варианты)". // Рабинович М.Д., Никифоров Б.Д., Абрамов В.М., 2005.

2. Патент РФ на изобретение №2110835 "Устройство для мажоритарного выбора сигналов". // Леденев Г.Я., Лаврищев А.Б., 1998.

3. Патент РФ на изобретение №2396591 "Устройство для мажоритарного выбора сигналов". // Леденев Г.Я., Сухов Б.М., Ефимов С.Н., 2008.

4. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации. // Под ред. проф. Пестрякова В.Б. - М.: Сов. радио, 1973.

5. Искусство схемотехники. Хоровиц П., Хилл У. - М.: Мир, 1998, п.8.24.

6. Микросхемотехника: Учебное пособие для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп.// Алексеенко А.Г., Шакулин И.И. - М.: Радио и связь, 1990.

7. http://www.plis.ru/index.php

Изобретение относится к области радиотехники и может найти применение в радиосредствах специальной радиосвязи для высоконадежной передачи данных по радиоканалу в условиях воздействия комплекса помех. Техническим результатом является повышение помехоустойчивости за счет минимизации воздействия выбросов шума на аппаратуру связи, составной частью которой является данное устройство, и повышение достоверности приема информации. Для достижения указанного результата устройство для мажоритарного выбора сигналов содержит: мажоритарный элемент (1), n счетчиков-защелок (2₁-2_n), сумматор (3), n компараторов (4₁-4_n), блок управления (5), n демультиплексоров (6₁-6_n), генератор тактовых импульсов (7), решающее устройство (8), n схем сравнения (9₁-9_n), (n+1) компаратор (10), преобразователь (11), n арифметико-логических устройств (12₁-12_n). 2 ил.

Устройство для мажоритарного выбора сигналов, содержащее генератор тактовых импульсов (ГТИ) и мажоритарный элемент, отличающееся тем, что введены n счетчиков-защелок, n демультиплексоров, n арифметико-логических устройств, (n+1) компараторов, n схем сравнения, решающее устройство, преобразователь, сумматор и блок управления, причем решающее устройство, вход которого является входом устройства, последовательно соединено с преобразователем и 1-м - n-м счетчиками-защелками, причем первые выходы 1-го - n-го счетчиков-защелок соединены с последовательно соединенными сумматором, первым компаратором и блоком управления, 1-й - n-й выходы которого соединены соответственно со вторыми входами 1-го - n-го демультиплексоров; вторые выходы 1-го - n-го счетчиков-защелок соединены соответственно с первыми входами 1-го - n-го демультиплексоров, первые выходы которых соединены с мажоритарным элементом, выход которого является выходом устройства; вторые выходы 1-го - n-го демультиплексоров соединены соответственно с 1-й - n-й схемами сравнения, выходы которых соединены соответственно с 1-м - n-м арифметико-логическими устройствами, выходы которых соединены соответственно с 2-м - (n+1)-м компараторами, выходы которых соединены соответственно с 2-м - (n+1)-м входами блоков управления; синхровходы 1-го - n-го счетчиков-защелок, 1-го - n-го демультиплексоров, 1-го - n-го арифметико-логических устройств, 1-го - (n+1)-го компараторов, 1-й - n-й схем сравнения, мажоритарного элемента, решающего устройства, преобразователя, сумматора и блока управления соединены с выходом ГТИ.