УСТРОЙСТВО ТАКТОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ С ОЦЕНКОЙ КАЧЕСТВА ПРИНИМАЕМОГО СООБЩЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК H04L7/02 

Предложено устройство тактовой синхронизации с оценкой качества принимаемого сообщения, которое может быть использовано в системах радиосвязи для передачи дискретных сообщений.

Передача дискретных сообщений по каналам радиосвязи осуществляется сигналами, у которых, как правило, местоположение границ элементарных посылок на оси времени начиная с первого фронта кратно времени продолжительности одной элементарной посылки. Поэтому в системах связи осуществляется, тактовая синхронизация, позволяющая реализовать максимально возможную помехоустойчивость приема сигналов. При тактовой синхронизации определяется среднее местоположение фронтов элементарных посылок. Моменты времени, которые соответствуют появлению фронтов элементарных посылок под действием различного рода аддитивных и мультипликативных помех, присутствующих в канале связи, постоянно отклоняются в ту, или иную сторону от их среднего значения. Закон распределения отклонения времени появления фронтов элементарных посылок от их среднего значения считается нормальным [АБДУЛЛАЕВ Д.А., АРИПОВ М.Н. «Передача дискретных сообщений в задачах и упражнениях». - М.: Радио и связь, 1985, с. 11]. Среднеквадратическое отклонение (СКО) этого закона зависит от отношения мощностей сигнала и помехи. Поэтому величина СКО распределения фронтов относительно среднего времени их появления может характеризовать качество принимаемого сообщения.

Известен способ тактовой синхронизации [Побережский Е.С. Цифровые радиоприемные устройства. - М.: Радио и связь. - 1987, - с. 123-125], при котором 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 решение об оценке значения фазы фронтов неискаженных двоичных посылок. Далее в соответствии с этой оценкой формируют синхроимпульсы, фаза которых совпадает с оценкой средней фазы фронтов неискаженных двоичных посылок, а период следования синхроимпульсов совпадает с их длительностью. Недостатком этого способа является не очень высокая 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.

Известно устройство тактовой синхронизации с оценкой качества принимаемого сообщения [ВАСИН В.А. и др. Радиосистемы передачи информации. - М.: Горячая линия - Телеком, 2005. Стр. 276]. В описании тактового синхронизатора, сказано, что, определив СКО распределения отклонений местоположения фронтов элементарных посылок от их среднего значения, можно оценить отношение сигнал/помеха h² по формуле h²≈(T/CKO)², что позволяет оценить качество принимаемого сообщения. Для реализации описанного алгоритма требуется разработка достаточно сложной программы, которая реализуется большим числом соответствующих вычислительных операций на процессоре.

Известно также «Устройство поэлементной синхронизации и регенерации» [АС №741479, опубл. 15.06.1980, авторы: Дунева Н.Н., Поддубный М.С., Хазан В.Л.] в котором синхронизация производится с одновременной оценкой качества канала связи при приеме сообщений. В основу этой оценки положено определение величины отклонения фронтов элементарных посылок от значения их среднего местоположения. Такого рода оценка производится с учетом вероятности отклонения фронтов элементарных посылок на величину, которая соизмерима с половиной длительности элементарной посылки. Такой метод синхронизации с оценкой качества принимаемого сообщения требует достаточно большого объема памяти вычислительного устройства и достаточно большого объема вычислений.

Известен способ оценки качества канала связи по телеграфным искажениям (А.В. Косых, В.Л. Хазаи Способ оценки текущего качества нестационарных каналов радиосвязи по величине телеграфных искажений. Динамика систем, механизмов и машин. №4, вып. 2017. Стр. 28-33]. Недостатком предложенного в данной статье способа оценки телеграфных искажений является относительно большая дискретная память и производство большого количества вычислений для получения конечного результата.

Наиболее близким к заявляемому устройству является разомкнутое устройство тактовой синхронизации по элементам, принятое за прототип [Передача дискретных сообщений. Шувалов В.П., Захарченко Н.В., Шварцман В.О. и др. - М.: - Радио и связь. - 1990. - Стр.. 338-347, рис. 9.4], которое содержит формирователь импульсов, расширитель импульсов, узкополосный фильтр, усилитель ограничитель и формирователь тактовых импульсов, в котором каждый фронт принятых двоичных посылок синхронизирует один из генераторов прямоугольных импульсов, периоды которых равны периоду поступления двоичных посылок. Сумма всех сформированных колебаний поступает на вход узкополосного фильтра, который выделяет основную гармонику частоты поступления двоичных посылок. Фаза выделенной узкополосным фильтром гармоники в этом случае будет близка к фазе фронтов неискаженных двоичных посылок и будет обусловливать фазу формирователя тактовых импульсов. Недостатком этого способа синхронизации является то, что любой ошибочно появившийся фронт в принимаемой бинарной последовательности влияет на фазу результирующего колебания на выходе узкополосного фильтра. В данном устройстве отсутствует также оценка качества канала связи. Кроме того, в описанном устройстве синхронизации при замираниях сигнала происходит потеря фазы фронтов неискаженных двоичных посылок.

Задача изобретения - осуществление тактовой синхронизации с учетом качества принимаемого сообщения, снижение влияния случайных, ошибочно появляющихся из-за влияния помех, фронтов в принимаемой бинарной последовательности, на точность синхронизации генератора тактовых импульсов, исключение потери синхронизации при кратковременных и длительных перерывах связи.

Техническим результатом изобретения является определение качества принимаемого сигнала, исключение влияния случайных помех на точность тактовой синхронизации при приеме дискретных сообщений, сохранение синхронизации во время кратковременных и длительных перерывов связи.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом устройстве синхронизации, для каждого фронта заданного числа N последовательно поступающих фронтов элементарных посылок, аналогично тому, как это делается в прототипе, с помощью генераторов прямоугольных импульсов формируются периодические последовательности прямоугольных импульсов, но в отличие от прототипа, период последовательностей прямоугольных импульсов равен не среднему периоду принимаемой бинарной последовательности, а равен длительности элементарной посылки Т принимаемого сообщения, кроме того, периодическая последовательность импульсов имеет скважность р много большую едницы. Скважность периодической последовательности импульсов р=Т/Т_и, где Т_и<<Т вляется длительностью одиночного импульса. Количество N такого рода сформированных периодических последовательностей П-образных импульсов для достоверной оценки среднего количества попадания фронтов бинарной последовательности на заданный отрезок времени должно быть достаточно большим. В теории вероятностей [Венцель Е.С. Теория вероятностей. М: 1969 г. стр. 317-324] показано, что необходимым и достаточным для достоверной оценки математического ожидания случайной величины считается объем выборок этой случайной величины в количестве равном не менее 20-30. Таким образом, необходимо, чтобы выполнялось неравенство N≥20. Все N П-образных импульсов суммируются и поступают на анализатор качества принимаемого сообщения. После окончания периода формирования фаз у очередных N последовательностей их фазы поочередно циклически меняются в соответствии с фазами вновь поступающих фронтов принимаемой информационной бинарной последовательности. Если величина телеграфных искажений очень мала и отклонения по времени фронтов всех отдельно взятых элементарных посылок от их среднего места положения не превышают значения Т_и, то на выходе сумматора П-образных импульсов будет результирующий импульс с максимально возможной амплитудой, равной N условным единицам (по количеству генераторов периодических последовательностей). Длительность вершины этого импульса в общем случае при наличии телеграфных искажений будет меньше отрезка времени, равного Т_и и будет зависеть от величины СКО этих телеграфных искажений. Фаза верхней части этого импульса, передается генератору тактовых импульсов, формирующему короткие импульсы с периодом Т, местоположение которых на оси времени в этом случае соответствует среднему местоположению фронтов принимаемой информационной бинарной последовательности. Используя эти импульсы можно обеспечить оптимальный прием сигналов с помощью коммутируемых фильтров [Теория передачи дискретных сообщений. Финк Л.М. - М.: - Советское радио. - 1970. Стр. 161, 235, 304]. Если же величина телеграфных искажений будет настолько велика, что фронты отдельных элементарных посылок будут отклоняться от их среднего местоположения на величину более чем Т_и, то на выходе сумматора П-образных импульсов амплитуда результирующего импульса будет меньше, чем N условных единиц. Величина этой амплитуды обратно пропорциональна величине телеграфных искажений и может служить оценкой качества принимаемого сообщения. В случае, когда сигнал на входе приемного устройства отсутствует, на выходе демодулятора имеет место бинарная последовательность, у которой переходы между ее уровнями распределены равномерно во времени, в результате чего сформированные импульсные периодические последовательности будут иметь разные начальные фазы, равномерно распределенные на интервале периода этих колебаний. В этом случае на выходе сумматора импульсов будет иметь место случайная последовательность коротких импульсов с условной амплитудой 1/N, которые иногда перекрываются и в этом случае уровень результирующего сигнала может случайно варьироваться и изменяться в несколько раз, но когерентное сложение колебаний в этом случае невозможно и максимальный уровень сигнала близкий по значению к N, который говорит о высоком качестве принимаемой информации, практически, никогда не сможет реализоваться. В этом случае сигнал на коррекцию фазы синхронизируемого генератора тактовых импульсов, при определенном уровне результирующего импульса на выходе сумматора импульсов блокируется и генератор тактовых импульсов может в этом случае сохранять последнее значение фазы на долгое время, вплоть до следующего сеанса связи. При этом точность взаимной синхронизации передатчика и приемника будет обусловлена стабильностью опорных генераторов на передающей и приемной стороне радиолинии.

На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого устройства тактовой синхронизации с оценкой качества принимаемого сообщения.

На блок-схеме обозначено:

1 - вход для принимаемой бинарной последовательности с краевыми искажениями (с выхода триггера демодулятора радиоприемного устройства);

2 - формирователь коротких импульсов, соответствующих фронтам в принимаемой бинарной последовательности;

3 - циклический переключатель;

4 - генераторы (в количестве N) бинарных последовательностей с периодом Т и скважностью р;

5 - сумматор бинарных последовательностей;

6 - управляемый ключ, который может блокировать прохождение импульсов синхронизации па генератор тактовых импульсов;

7 - анализатор уровня результирующих импульсов на выходе сумматора, управляющий ключом 6;

8 - генератор тактовых импульсов, синхронизируемый результирующими импульсами, которые пропускаются ключом 6 с выхода сумматора 5;

9 - выход синхронизатора для тактовых импульсов;

10 - выход синхронизатора для оценки качества принимаемого сигнала.

Описание функционирования устройства тактовой синхронизации с оценкой качества принимаемого сигнала.

Бинарная последовательность с краевыми искажениями с выхода решающего устройства демодулятора радиоприемного устройства (триггера) подается на вход 1 устройства тактовой синхронизации. Формирователь коротких импульсов 2 формирует для каждого фронта этой бинарной последовательности короткие импульсы и с помощью циклического переключателя 3 задает с помощью этих импульсов начальные фазы генераторам бинарных периодических П-образных импульсных последовательностей 4. П-образные импульсы с выхода формирователей бинарных последовательностей поступают на сумматор 5, а затем результат суммирования U_Σ в виде результирующего импульса через коммутатор 6, управляемый анализатором уровня результирующих импульсов на выходе сумматора 5, поступает на синхронизируемый генератор тактовых импульсов 8 и фазирует его соответствующим образом. Тактовые импульсы с выхода генератора поступают на выход синхронизатора 9 и используются для наиболее оптимального приема сигналов сообщения. Оценка качества принимаемого сообщения с выхода анализатора уровня результирующих импульсов на выходе сумматора, характеризующего это качество, поступает на выход 10. В случае уменьшения уровня результирующего импульса на выходе сумматора 5 при ухудшении условий связи ключ 6 по команде анализатора качества 7 закрывается и тактовый генератор 8 начинает работать в автономном режиме, сохраняя ранее заданную фазу. При этом тактовые импульсы продолжают поступать на выход синхронизатора 9 с фазой, заданной на интервале приема сообщения, когда качество его приема было удовлетворительным. При появлении сигнала после его отсутствия и увеличении амплитуд результирующих импульсов U_Σ, которые превысят заданное значение порога U₀, ключ 6 включается по сигналам анализатора уровня 7 и генератор тактовой синхронизации начинает синхронизироваться проходящими чрез ключ 6 результирующими импульсами с выхода сумматора 5.

Приведенная на фиг. 1 блок-схема устройства тактовой синхронизации с оценкой качества принимаемых сигналов может быть относительно легко реализована как в схемо-техническом, так и в программном варианте. При этом, в отличие от описанных аналогов, не требуется производить сложных математических операций по вычислению статистических характеристик краевых искажений. В отличие от прототипа, предлагаемый вариант устройства тактовой синхронизации осуществляет текущую оценку качества принимаемого сообщения по оценке величины имеющих место краевых искажений. Одиночные ошибочно сформировавшиеся фронты в принимаемой последовательности в данном устройстве тактовой синхронизации, в отличие от прототипа, практически не влияют на фазу результирующих импульсов на выходе сумматора 5. Кроме того, при перерывах в сеансах связи не происходит потери фазы у синхронизируемого генератора тактовых импульсов, которая была им получена на интервалах времени, которые соответствуют хорошему качеству принимаемого сообщения, когда амплитуда результирующего импульса на выходе сумматора была достаточно большой.

На фиг. 2 (а) изображен вид результирующих импульсов U_Σ на выходе сумматора (5) фигуры 1 для случая хороших условий связи, когда краевые искажения отсутствуют и все импульсы формирователей однополярных П-образных последовательностей суммируются когерентно.

На фиг. 2 (b) изображен вид результирующих импульсов U_Σ на выходе сумматора (5) фигуры 1 для случая средних условий связи, когда импульсы формирователей однополярных П-образных последовательностей имеют рассеяние по времени из-за наличия краевых искажений в принимаемой бинарной последовательности и частично суммируются не когерентно.

На фиг. 2 (с) изображен вид результирующих импульсов U_Σ на выходе сумматора (5) фигуры 1 для случая плохих условий связи, когда, например, имеют место глубокие замирания и импульсы формирователей однополярных П-образных последовательностей рассеяны равномерно вдоль оси времени. Если имеется N формирователей последовательностей П-образных импульсов (4), то n импульсов полностью перекрываются друг с другом в том случае, если их передние фронты попадают на один временной интервал Δt=1/N. Вероятность этого события при отсутствии сигнала равна P(n)=(1/N)^n-1. Таким образом, при N=20 превышение амплитудой результирующего импульса U_Σ уровня, равного двум условным единицам, будет происходить с вероятностью Р(2)=0.05, трем условным единицам с вероятностью Р(3)=0.0025, четырем условным единицам с вероятностью Р(4)=0.000125, а пяти условным единицам с вероятностью Р(5)=0.00000625.

Таким образом, при отсутствии сигнала ложная синхронизация маловероятна, если при N=20 порог срабатывания U₀ принять равным 4÷5 условным единицам.

При наличии сигнала амплитуда результирующего импульса U_Σ увеличивается пропорциональна вероятности попадания фронта элемента сообщения на ограниченный отрезок времени, расположенный в зоне среднего местоположения этих фронтов. Амплитуда результирующего импульса U_Σ характеризует качество принимаемого сообщения. Чем больше вероятность попадания фронта элемента сообщения на ограниченный отрезок времени, расположенный в зоне среднего местоположения этих фронтов, тем больше амплитуда результирующего импульса на выходе сумматора и тем более высокое качество имеет принимаемое сообщение. Максимальная амплитуда результирующего импульса U_Σ может быть равна N условным единицам. Если U_Σ становится меньше заданного порога U₀, то анализатор качества (7) блокирует с помощью ключа (6) поступление сигналов синхронизации с выхода сумматора (5) на синхронизируемый генератор тактовых импульсов (8) на фиг. 1 и последнее значение фазы, полученное генератором импульсов тактовой синхронизации (8) сохраняется до того момента, пока амплитуда результирующего импульса U_Σ не превысит заданный порог U₀. Если канал связи хорошего качества, то для начала процесса синхронизации количество фронтов бинарной последовательности с момента начала приема сообщения будет равно значению порога U₀ условных единиц. Поскольку количество фронтов в информационной бинарной последовательности в среднем в два раза меньше, чем количество принимаемых элементов, то при U₀ равном 4-5 условных единиц момент начала синхронизации наступит в среднем в течение приема первых 8÷10 посылок. Если у передаваемого сообщения для входа в синхронизм имеется преамбула в виде меандра, то в этом случае синхронизация произойдет в течение приема первых 5÷6 элементарных посылок.

В общем случае порог, соответствующий уровню качества принимаемого сигнала, при котором начинает осуществляться синхроизация генератора тактовой импульсов синхронизации и порог, соответствующий уровню качества принимаемого сигнала, при котором синхроизация генератора тактовой импульсов синхронизации прекращается могут отличаться друг от друга с целью повышения точности синхронизации.

С целью сокращения времени вхождения в синхронизм после перерыва в связи порог, соответствующий уровню качества принимаемого сигнала, при котором начинает осуществляться синхронизация генератора тактовых импульсов и порог, соответствующий уровню качества принимаемого сигнала, при котором синхронизация генератора тактовых импульсов прекращается могут изменяться во времени с учетом интервала времени, в течение которого отсутствовала связь.

Заявляемое устройство тактовой синхронизации отличается от прототипа:

- малым временем вхождения в синхронизм;

- более точной синхронизацией за счет исключения из суммы периодических П-образных импульсов тех импульсов, которые сформированы случайно появившимися фронтами принимаемой бинарной последовательности;

- возможностью синхронизации только в те моменты времени, когда оценка качества принимаемого сообщения имеет высокую оценку качества;

- возможностью сохранять синхронизацию на длительное время, обусловленное стабильностью опорных генераторов на передающей и приемной сторонах радиолинии.

Кроме всего прочего, заявляемое устройство легко реализуется как в схемо-техническом, так и в программном вариантах.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах радиосвязи при передаче дискретных сообщений. Технический результат - исключение влияния случайных помех на точность тактовой синхронизации при приеме дискретных сообщений, сохранение синхронизации во время кратковременных и длительных перерывов связи. Устройство тактовой синхронизации с оценкой качества принимаемого сообщения содержит последовательно соединенные формирователь импульсов, циклический переключатель, совокупность периодически синхронизируемых фронтами элементарных посылок параллельно включенных генераторов бинарных последовательностей, сумматор бинарных последовательностей, синхронизируемый генератор тактовых импульсов. Совокупность генераторов формирует бинарные импульсные последовательности, период которых равен длительности элементарных посылок, длительность импульсов равна заданному ограниченному интервалу времени, а между сумматором бинарных последовательностей и синхронизируемым генератором тактовых импульсов включен ключ, который управляется включенным на выходе сумматора анализатором уровня результирующего импульса, который обеспечивает синхронизацию генератора тактовых импульсов на интервалах времени, когда результирующий импульс на выходе сумматора выше заданного уровня, и прекращает синхронизацию тактового генератора на интервалах времени, когда результирующий импульс на выходе сумматора ниже заданного уровня. 2 ил.

Устройство тактовой синхронизации с оценкой качества принимаемого сообщения, содержащее последовательно соединенные формирователь импульсов, циклический переключатель, совокупность периодически синхронизируемых фронтами элементарных посылок параллельно включенных генераторов бинарных последовательностей, сумматор бинарных последовательностей, синхронизируемый генератор тактовых импульсов, отличающееся тем, что для оценки вероятности попадания фронтов элементарных посылок на заданный ограниченный интервал времени, который во много раз меньше длительности элементарной посылки, совокупность генераторов формирует бинарные импульсные последовательности, период которых равен длительности элементарных посылок, длительность импульсов равна заданному ограниченному интервалу времени, а между сумматором бинарных последовательностей и синхронизируемым генератором тактовых импульсов включен ключ, который управляется включенным на выходе сумматора анализатором уровня результирующего импульса, который обеспечивает синхронизацию генератора тактовых импульсов на интервалах времени, когда результирующий импульс на выходе сумматора выше заданного уровня, и прекращает синхронизацию тактового генератора на интервалах времени, когда результирующий импульс на выходе сумматора ниже заданного уровня.