СПОСОБ УСТАНОВЛЕНИЯ ЦИКЛОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ Российский патент 2015 года по МПК H04L7/08 

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано в системах передачи данных с параллельными (многочастотными) сигналами.

Такие системы используют для передачи информации групповой сигнал, т.е. сигнал, представляющий собой сумму независимых сигналов, каждый из которых сгенерирован на своей субчастоте. В большинстве существующих на сегодняшний день систем передачи данных передаваемая информация предварительно разбивается на блоки. Причем разбиение осуществляется не только в системах асинхронного, но, зачастую, и синхронного типа, с последующим восстановлением синхронного потока на приемной стороне. Для снижения вероятности ошибки обычно применяется помехоустойчивое кодирование, при этом часто используются блоковые коды. Необходимо отметить, что неточное определение момента начала кодового блока приводит к невозможности декодирования принятой информации. Поэтому для обеспечения безошибочного функционирования систем передачи данных необходимо в процессе установления связи решить задачу установления цикловой синхронизации.

Для решения этой задачи, как правило, на этапе установления связи в вызывной сигнал добавляются специальные последовательности, определив местоположение которых в принятом сигнале можно установить время начала кодового блока. Такое решение задачи может быть успешно использовано в системах с каналом обратной связи, в которых операция вхождения в связь осуществляется однажды в начале сеанса и передача информации начинается только после получения подтверждения по каналу обратной связи факта успешного приема вызывного сигнала и установления тактовой и цикловой синхронизации. Однако, на сегодняшний день также существуют системы синхронной передачи данных, в которых наличие канала обратной связи не является обязательным, включение как передающей, так и приемной станций может произойти в любой момент времени. При этом такие системы могут функционировать в условиях отсутствия канала обратной связи, служащего, в частности, для подтверждения факта обнаружения вызывного сигнала и установления тактовой и цикловой синхронизации. В системах такого рода приемная станция должна осуществлять вхождение в связь непосредственно по информационному сигналу, при этом в таких системах также используется блоковое помехоустойчивое кодирование для повышения достоверности передачи информации. Таким образом, точное установление цикловой синхронизации является необходимым условием для обеспечения последующего достоверного приема информации.

Прототипом заявляемого способа является способ установления цикловой синхронизации, описанный в международном авиационном стандарте KB радиосвязи ARINC 635-2 [ARINC SPECIFICATION 635-2. HF DATA LINK PROTOCOLS. Published by AERONAUTICAL RADIO, INC. 1998].

Согласно данному стандарту на передающей стороне в начале сеанса связи формируется вызывной сигнал, в состав которого входят несколько различных последовательностей, вид которых заранее известен на приемной стороне. На приемной стороне осуществляется обработка сигнала, принятого по KB радиоканалу, и поиск данных последовательностей. Различные виды указанных последовательностей имеют различное функциональное предназначение. По некоторым из них осуществляется поиск вызывного сигнала, т.е. обнаружение факта передачи, по другим осуществляется частотная подстройка и устанавливается тактовая синхронизация, третьи служат для установления цикловой синхронизации, а четвертые содержат информацию о параметрах последующей передачи блока данных. В частности, для установления цикловой синхронизации в стандарте ARINC 635-2 используются две псевдослучайные последовательности, каждая длиной 127 символов. Их временная позиция в принятом сигнале и взаимное месторасположение в точности определяет начало последующего информационного блока. Вызывной сигнал повторяется передающей стороной до тех пор, пока по каналу обратной связи с приемной стороны не поступит подтверждение факта обнаружения вызывного сигнала и установления тактовой и цикловой синхронизации.

Недостатком прототипа является невозможность его использования в системах связи синхронного типа, в которых приемная станция должна иметь возможность осуществления вхождения в связь в любой момент времени непосредственно по информационному сигналу, без предварительной посылки специальных последовательностей, служащих для установления цикловой синхронизации.

Целью изобретения является обеспечение возможности установления цикловой синхронизации в параллельных (многочастотных) системах связи синхронного типа с отсутствием канала обратной связи.

Поставленная цель достигается тем, что время начала блока данных определяется по информационному сигналу, без предварительной передачи специальных цикловых последовательностей. При этом в процессе модуляции информации с использованием фазовой модуляции на каждый блок данныхдополнительно накладывается амплитудная модуляция в соответствии с частотно-временной матрицей размерностью M×N, где М - количество используемых субчастот, а N - количество элементарных символов группового сигнала, соответствующее длительности блока данных. Элементы этой матрицы принимают значения 1 или α и являются коэффициентами увеличения мощности сигнала для соответствующей субчастоты на соответствующем временном интервале, равном длительности одного элементарного символа группового сигнала. В частотной области каждой из субчастот соответствует комплексное число, которое может быть представлено как в алгебраической форме записи , так и в полярной форме , где r, φ - амплитуда и фаза сигнала соответственно. Переход из одной формы записи комплексного числа в другую описан в [Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисление. М.: Наука, 1976, том 1, стр. 219]. При фазовой модуляции для переноски информации используется только параметр φ, а амплитуда r полагается равной константе (как правило, единице). Для наложения на групповой сигнал с фазовой модуляцией, представленный в частотной области, дополнительной амплитудной модуляции достаточно поэлементно умножить значения его спектральных составляющих, представленных в полярной форме, на соответствующие коэффициенты из описанной выше частотно-временной матрицы. На приемной стороне после установления тактовой синхронизации сигнал накапливается в буфере длиной N элементарных символов, производится его демодуляция с помощью быстрого преобразования Фурье, при этом вычисляется мощность сигнала на каждой из субчастот для каждого из элементарных символов. Затем формируется N гипотез о возможном местоположении начала блока данных, каждой из гипотез ставится в соответствие численный показатель Z_k, где k - порядковый номер гипотезы, принимающий значения от 0 до N-1 и означающий предполагаемый сдвиг времени начала блока данных относительно первого элементарного символа в буфере. Данный показатель представляет собой взвешенную сумму мощностей предполагаемых увеличенных частотно-временных компонент принятого сигнала. Среди всех показателей Z_k вычисляются два максимальных - Z_max и Z_max2, фиксируется индекс m гипотезы, которой соответствует абсолютный максимум Z_max. Затем производится проверка условия Z_max>bZ_max2, где b - пороговый коэффициент, рассчитываемый исходя из количества посылок в блоке данных, требований к вероятностям ложного установления и неустановления цикловой синхронизации, а также величины α. В случае выполнения данного условия принимается решение об обнаружении цикловой синхронизации и производится декодирование кодового блока, началом которого является элементарная посылка под номером m в окне анализа из N элементов. Если же данное условие не выполняется, то цикловая синхронизация считается неустановленной, накапливается новый буфер из N элементарных посылок и процедура поиска и установления цикловой синхронизации повторяется.

Учитывая ограниченную мощность передатчика и существование пик-фактора, характерное для многоканальных систем передачи, матрица должна формироваться таким образом, чтобы количество субчастот с увеличенной амплитудой на длительности каждого канального символа было одинаково. Кроме того, расположение коэффициентов α в частотно-временной матрице должно обладать хорошими автокорреляционными свойствами по оси времени, т.е. иметь отчетливый пик при сравнении с заранее сгенерированным на приемной стороне эталоном только на начальной позиции канального блока.

Рассмотрим процесс установления цикловой синхронизации на примере матрицы размерностью 8×8. На передающей стороне частотно-временная матрица формируется в соответствии с правилом:

где p_i,j - мощность сигнала на i-й субчастоте на длительности j-й посылки;

N - количество элементарных посылок в канальном блоке;

М - количество субчастот в групповом сигнале;

A₀ - номинальный уровень амплитуды сигнала на отдельной субчастоте;

α - коэффициент увеличения уровня мощности на отдельных элементах группового сигнала по отношению к остальным элементам.

Тогда на длительности кодового блока частотно-временная матрица будет иметь вид, представленный на фиг. 1. Элементы диагонали, помеченные индексом α, имеют повышенную мощность. Прочие элементы матрицы имеют номинальную мощность.

На приемной стороне производится накопление сигнала, принятого из радиоканала, на длительности, соответствующей времени передачи одного кодового блока. В накопленном сигнале устанавливается тактовая синхронизация, после чего первая элементарная посылка условно принимается за опорную. Начиная с этой посылки, для каждой элементарной посылки производится демодуляция сигнала путем вычисления синфазной и квадратурной составляющих сигнала на всех используемых в системе субчастотах. Также в процессе демодуляции можно получить значения мощности сигнала для всех субчастот на длительности каждого канального символа:

где P_i,j - мощность сигнала, S_i,j - значение синфазной составляющей, C_i,j - значение квадратурной составляющей сигнала на i-й субчастоте j-й элементарной посылки, вычисляемые путем быстрого преобразования Фурье.

Далее формируется N гипотез возможного местонахождения начала кодового блока. Причем k-я гипотеза заключается в предположении, что начало кодового блока находится на k-й элементарной посылке. Каждой гипотезе ставится в соответствие численный показатель Z_k, который представляет собой сумму отношений средней мощности элементов сигнала, на которых предполагается повышенная мощность сигнала, к средней мощности остальных элементов строки частотно-временной матрицы. Наложение на сигнал описанной частотно-временной матрицы производится на каждый кодовый блок, т.е. циклически. При несовпадении принятых из канала связи канальных символов с началом кодового блока в принятом буфере содержатся конец одного из кодовых блоков и начало другого. Поэтому для проверки k-й гипотезы достаточно циклически сдвинуть по времени хранимый на приемной стороне эталон частотно-временной матрицы на k-1 символов.

Численный показатель Z_k, соответствующий k-й гипотезе, представляет собой взвешенную сумму мощностей предполагаемых увеличенных частотно-временных компонент принятого сигнала:

Взвешивание производится для исключения влияния неравномерности спектра помех, а также неравномерности амплитудно-частотной характеристики приемо-передающего тракта и канала связи, на принятие решения.

Затем определяются два максимальных показателя Z_k: Z_max и Z_max2. Фиксируется индекс m гипотезы, которой соответствует абсолютный максимум Z_max. Данная гипотеза является наиболее правдоподобной для установления цикловой синхронизации. Для снижения вероятности ложного установления цикловой синхронизации в условиях отсутствия сигнала производится проверка условия Z_max>bZ_max2, где b - некоторый пороговый коэффициент, рассчитываемый заранее, исходя из количества посылок в канальном блоке, требований к вероятности ложного установления цикловой синхронизации, вероятности неустановления цикловой Z_k, а также величины α - коэффициента увеличения мощности излучения на отдельных компонентах сигнала.

В случае выполнения данного условия принимается решение об обнаружении цикловой синхронизации и производится декодирование кодового блока, началом которого является элементарная посылка под номером m в окне анализа из N элементов. Если же данное условие не выполняется, то цикловая синхронизация считается неустановленной, и процедура поиска и установления повторяется для следующего окна из N элементарных посылок сигнала. Анализ производится по принимаемому сигналу, накопленному в буфере за время, равное времени передачи N элементарных посылок группового сигнала.

На Фиг. 2 изображена структурная схема способа установления цикловой синхронизации.

Данные, поступающие из источника информации 1, кодируются помехоустойчивым кодом 2 и поступают на модулятор 3, который формирует спектр сигнала в частотной области, как описано в [Шахтарин Б.И. Синхронизация в радиосвязи и радионавигации, М.: Гелиос АРВ, 2007, стр. 241]. В блоке 4 в полученном сигнале производится увеличение мощности отдельных субчастот на длительности определенных элементарных посылок в соответствии с заранее созданной частотно-временной матрицей. Далее, в блоке 5 сформированный спектр преобразуется в сигнал во временной области. После прохождения канала связи 6 и установления в блоке 7 тактовой синхронизации сигнал накапливается в буфере 8 длиной, кратной N элементарным посылкам. В блоке 9 производится демодуляция в частотной области накопленного сигнала, как описано в [Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. СПб.: Питер, 2007, стр. 256-300]. После использования БПФ на длительности одного элементарного символа каждой из субчастот поставлено в соответствие комплексное число, которое необходимо представить в полярной форме записи , где r, φ - амплитуда и фаза сигнала соответственно.

Для демодуляции сигнала с фазовой модуляцией используется только параметр φ, а амплитуда r отбрасывается. В то же время квадрат амплитуды r² представляет собой значение мощности сигнала на данной субчастоте. Используя промежуточные результаты демодуляции, т.е. значения r, в блоке 10 для каждой из N элементарных посылок вычисляются мощности сигнала на всех субчастотах P_i,j. В блоке 12 формируются различные гипотезы о возможном времени начала кодового блока. На основе полученных в блоке 10 значений P_i,j каждой из этих гипотез в блоке 11 ставится в соответствие численный показатель Z_k. В блоке 13 производится вычисление значения Z_max, Z_max2 и принимается решение о факте установления цикловой синхронизации. В случае принятия решения об отсутствии цикловой синхронизации в буфере производится накопление нового сигнала длительностью N элементарных посылок в блоке 8, и процесс поиска синхронизации осуществляется заново. В случае же установления цикловой синхронизации данные, полученные с выхода демодулятора, поступают на декодер 15, с выхода которого в случае успешного декодирования отдаются приемнику информации 16.

Таким образом, данный способ установления цикловой синхронизации не требует предварительной передачи специальных последовательностей, служащих только для установления цикловой синхронизации, что позволяет использовать его в системах связи синхронного типа без канала обратной связи. При его использовании синхронизация может быть установлена при включении приемной и передающей станции в любые произвольные моменты времени.

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано в системах передачи данных с параллельными (многочастотными) сигналами с фазовой модуляцией. Технический результат - обеспечение возможности установления цикловой синхронизации в параллельных (многочастотных) системах связи синхронного типа с отсутствием канала обратной связи. Указанный технический результат достигается за счет того, что в процессе формирования фазоманипулированного информационного сигнала на передающей стороне на него дополнительно накладывается амплитудная модуляция в соответствии с заранее созданной частотно-временной матрицей, процесс наложения дополнительной амплитудной модуляции осуществляется циклически, на длительности каждого блока данных, а на приемной стороне оцениваются мощности сигнала на отдельных субчастотах для различных элементарных символов группового сигнала и определяется время начала очередного блока данных. Вид частотно-временной матрицы выбирается таким образом, чтобы ее автокорреляционная функция имела значительный пик только при нулевом сдвиге. Установление цикловой синхронизации может быть осуществлено при включении приемной/передающей в любые произвольные моменты времени. 2 ил.

Способ установления цикловой синхронизации для многочастотных систем передачи данных с разбиением данных на блоки, отличающийся тем, что время начала блока данных определяется по информационному сигналу, без предварительной передачи специальных цикловых последовательностей, при этом на передающей стороне в процессе модуляции информации с использованием фазовой модуляции на каждый блок данных дополнительно накладывается амплитудная модуляция в соответствии с частотно-временной матрицей размерностью M×N, где М - количество используемых субчастот, а N - количество элементарных символов группового сигнала, соответствующее длительности блока данных, элементы этой матрицы принимают значения 1 или α и являются коэффициентами увеличения мощности сигнала для соответствующей субчастоты на соответствующем временном интервале, равном длительности одного элементарного символа группового сигнала, затем сигнал передается по каналу связи, на приемной стороне после установления тактовой синхронизации сигнал накапливается в буфере длиной N элементарных символов, производится его демодуляция с помощью быстрого преобразования Фурье, при этом вычисляется мощность сигнала на каждой из субчастот для каждого из элементарных символов, формируется N гипотез о возможном местоположении начала блока данных, каждой из гипотез ставится в соответствие численный показатель Z_k, где k - порядковый номер гипотезы, принимающий значения от 0 до N-1 и означающий предполагаемый сдвиг времени начала блока данных относительно первого элементарного символа в буфере, данный показатель представляет собой взвешенную сумму мощностей предполагаемых увеличенных частотно-временных компонент принятого сигнала, среди показателей Z_k вычисляются два максимальных - Z_max и Z_max2, фиксируется индекс m гипотезы, которой соответствует абсолютный максимум - Z_max, производится проверка условия Z_max>bZ_max2, где b - пороговый коэффициент, рассчитываемый исходя из количества посылок в блоке данных, требований к вероятностям ложного установления и неустановления цикловой синхронизации, а также величины α, в случае выполнения данного условия принимается решение об обнаружении цикловой синхронизации и производится декодирование кодового блока, началом которого является элементарная посылка под номером m в окне анализа из N элементов, если же данное условие не выполняется, то цикловая синхронизация считается неустановленной, в буфере заново накапливается сигнал длительностью N элементарных посылок и процедура поиска и установления цикловой синхронизации повторяется.