СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПОСЫЛОК В КАНАЛАХ СВЯЗИ С МЕЖСИМВОЛЬНЫМИ ИСКАЖЕНИЯМИ Российский патент 2025 года по МПК H04L7/00 

Изобретение относится к способам регистрации и восстановления двоичных посылок при передаче дискретных сообщений в каналах связи с межсимвольными искажениями.

В беспроводном канале связи, в частности в коротковолновой (KB) области частот 3-30 МГц, происходит отражение радиоволн от различных слоев ионосферы. Распространение радиоволн путем отражения позволяет передавать информацию на большие расстояния при отсутствии прямой видимости между передающей и приемной сторонами, но, с другой стороны, приводит к наложению на приемной стороне сдвинутых по фазе радиоволн, интерференции этих радиоволн, и, как следствие, к возникновению межсимвольных искажений (МСИ), замираниям и снижению качества канала связи. Несмотря на это, KB область спектра частот весьма перспективна для построения систем дальней радиосвязи при относительно небольшой мощности передатчика.

Для передачи дискретной информации сигнал модулируют по одному из методов, например, ОФМ-2 (двоичная относительная фазовая модуляция), что обеспечивает передачу двоичных посылок 0 или 1. Однако, из-за особенностей распространения сигнала в KB диапазоне и МСИ амплитуда сигнала на входе приемника может отклоняться от передаваемого эталонного сигнала в большом диапазоне значений, что может приводить к краевым искажениям и дроблениям посылок, регистрации ложных фронтов, и, соответственно, к высокому уровню битовых ошибок. Предлагаемый способ позволяет снизить уровень битовых ошибок в KB канале связи, за счет того, что при регистрации фронтов посылок не учитывают недостоверные переходы из низкого уровня посылки в высокий уровень и обратно, а также восстановление посылок выполняют методом интегрального приема в окне сокращенной длины, уменьшающем влияние искажений краев посылок.

На приемной стороне для борьбы с МСИ часто используют корректоры искажений (эквалайзеры), для функционирования которых требуется знание границ посылок. Предлагаемый способ регистрации и восстановления посылок в каналах связи с МСИ позволяет определить границы посылок и улучшить условия работы корректоров искажений.

Известен способ регистрации и восстановления посылок, при котором сначала определяют фазы фронтов двоичных посылок, затем каждому фронту принятых двоичных посылок сопоставляют колебание, частота которого равна частоте поступления двоичных посылок. Сумма сформированных колебаний поступает на вход узкополосного фильтра, который выделяет основную резонансную гармонику частоты поступления двоичных посылок. Фаза выделенной гармоники является оценкой фазы фронтов неискаженных двоичных посылок. Восстановление посылок осуществляют методом интегрального приема, при котором по мажоритарному принципу оценивают вес посылки, начало которой отсчитывают от фазы фронтов неискаженных посылок [Передача дискретных сообщений. Шувалов В.П., Захарченко Н.В., Шварцман В.О. и др.- М.: - Радио и связь. - 1990. - с. 339-341].

Недостатком этого способа является потеря фазы фронтов неискаженных двоичных посылок при замираниях в KB канале связи, вызванные многолучевым распространением сигнала, а также высокие требования к полосе частот узкополосного фильтра и к стабильности тактовых генераторов на передающей и приемной сторонах.

Известен также способ регистрации и восстановления посылок, при котором на выходе демодулятора сначала определяют фронты двоичных посылок, по которым затем формируют короткие импульсы. Эти импульсы далее сравнивают с синхроимпульсами и сигналы расхождения между синхроимпульсами и принимаемыми двоичными посылками усредняют по последовательности двоичных посылок и затем, в зависимости от величины усредненных сигналов расхождения, добавляют или исключают синхроимпульсы, подстраивая фазу синхроимпульсов под фазу фронтов двоичных посылок. Восстановление посылок осуществляют методом укороченного контакта, при котором значение посылки принимают в зависимости от величины строба в центре посылки, положение которого отсчитывается от фазы фронтов неискаженных посылок. (Скляр Бернард Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, Пер. с англ. - М.: Издательский дом Вильяме. - 2003. - с. 648-650).

Недостатком этого способа также является потеря фазы фронтов неискаженных двоичных посылок при замираниях в KB канале связи, вызванная многолучевым распространением сигнала. Также недостатками этого способа являются чрезмерно большое время установления фазы посылок и недостаточное время поддержания фазы при перерывах связи.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ (прототип), при котором сначала определяют последние n фаз фронтов принятых двоичных посылок. Затем строят гистограмму распределения этих n фаз фронтов двоичных посылок. При построении гистограммы распределения фазу последнего фронта двоичных посылок добавляют в гистограмму распределения, а фазу фронта двоичных посылок предшествующего n фронтам посылок перед последним фронтом удаляют из гистограммы распределения. Затем в скользящем окне длины k последовательных фаз фронтов посылок подсчитывают площадь под гистограммой распределения, начиная с начального положения скользящего окна и заканчивая последним на гистограмме положением скользящего окна с учетом циклической нумерации отсчетов фаз фронтов двоичных посылок. Полученные значения площадей под гистограммой сравнивают между собой по величине и выбирают положение скользящего окна, при котором достигается максимальная величина значения площади под гистограммой распределения и далее оценкой фазы фронтов неискаженных двоичных посылок считают среднее значение фаз фронтов двоичных посылок скользящего окна длины к последовательных фаз фронтов посылок с максимальной величиной площади под гистограммой распределения фронтов (Квашенников В.В. Способ тактовой цифровой синхронизации. Патент на изобретение RU 2640731 С1, 11.01.2018. Заявка № 2017111423 от 04.04.2017).

Недостатком этого способа является недостаточная достоверность в KB каналах связи, в которых из-за замираний амплитуда сигнала может изменяться в большом диапазоне значений, что может приводить к ложной регистрации фронтов посылок и, как следствие, к высокому уровню битовых ошибок. Недостатком также является отсутствие стираний фронтов в случае недостоверности принятия решения о положении фронтов.

Целью изобретения является повышение точности и скорости восстановления двоичных посылок при передаче цифровых сигналов, а также уменьшение вычислительной сложности реализации способа.

Для достижения цели предложен способ регистрации и восстановления посылок в каналах связи с межсимвольными искажениями, при котором сначала определяют последние n фаз фронтов принятых двоичных посылок. Затем строят гистограмму распределения этих n фаз фронтов двоичных посылок. При построении гистограммы распределения фазу последнего фронта двоичных посылок добавляют в гистограмму распределения, а фазу фронта двоичных посылок предшествующего n фронтам посылок перед последним фронтом удаляют из гистограммы распределения. Затем в скользящем окне длины k последовательных фаз фронтов посылок подсчитывают площадь под гистограммой распределения, начиная с начального положения скользящего окна, и заканчивая последним на гистограмме положением скользящего окна с учетом циклической нумерации отсчетов фаз фронтов двоичных посылок. Полученные значения площадей под гистограммой сравнивают между собой по величине и выбирают положение скользящего окна, при котором достигается максимальная величина значения площади под гистограммой распределения и далее фазой фронтов неискаженных двоичных посылок считают среднее значение фаз фронтов двоичных посылок скользящего окна длины k последовательных фаз фронтов посылок с максимальной величиной площади под гистограммой распределения фронтов. Новым является то, что при определении фаз фронтов регистрируют только переходы из уровня посылки больше α₁ и до уровня посылки меньше α₀ где 1≥α₁>α₀≥0, и обратно, а переходы, начало или окончание которых находится в промежутке значений от α₀ до α₁, не регистрируют. После определения фазы фронтов неискаженных двоичных посылок значение посылок восстанавливают в зависимости от числа отсчетов в интервале от α₁ до 1 и числа отсчетов в интервале от 0 до α₀. При числе отсчетов в интервале от α₁ до 1 больше числа отсчетов в интервале от 0 до α₀ принимают решение о приеме единичной посылки, а при числе отсчетов в интервале от 0 до α₀ больше или равном числу отсчетов в интервале от α₁ до 1 принимают решение о приеме нулевой посылки. Причем длину скользящего окна к выбирают в диапазоне 3≤k≤m/2 отсчетов, где т число отсчетов на длине посылки. При этом интервал значений [α₀, α₁] расположен симметрично внутри интервала значений [0,1], а величины α₀ и α₁ связаны соотношением α₀=1-α₁=β, где β зависит от величины межсимвольных искажений.

Предлагаемый способ регистрации и восстановления посылок в канале связи с МСИ реализуют следующим образом.

Система связи включает в себя передающую и приемную стороны и канал связи, по которому передают гармонический сигнал, модулированный по одному или нескольким параметрам в соответствии с исходным цифровым сообщением. Ионосферный KB канал связи включает многократные отражения волн, которые формируют множество лучей со сложной интерференционной структурой и резкими изменениями уровня сигнала. Многолучевое распространение радиоволн, когда в точку приема поступают сигналы с различных направлений и с разными временными задержками, вызывает явления МСИ. При достаточной величине задержки сигнала МСИ приводят к существенному изменению формы сигнала, ухудшению характеристик системы, в том числе качества передачи цифровой информации. На приемной стороне определение фазы фронтов неискаженных посылок выполняют по сигналу с выхода интегратора демодулятора, амплитуда которого может принимать значения в диапазоне от 0 до 1. Сигнал в пределах длительности Т одной двоичной посылки делится на m временных интервалов каждый длительностью τ (τ<Т). В пределах каждого интервала принимают решение о его амплитуде. Двоичную посылку на выходе демодулятора задают m отсчетами b_i в течение ее длительности

Для достаточно точного задания двоичной посылки число отсчетов посылки обычно не превышает величины m=16...24.

Фронтом двоичной посылки является переход отсчета сигнала из низкого уровня в высокий уровень или обратно. Отсчет сигнала b_i имеет низкий уровень, если например α₀=0,25. Для сигнала высокого уровня например α₁=0,75. При определении фаз фронтов регистрируют только переходы из уровня посылки больше α₁ и до уровня посылки меньше α₀, где 1≥α₁>α₀≥0, и обратно, а переходы, начало или окончание которых находится в промежутке значений от α₀ до α₁, не регистрируют. Такие переходы отсчетов сигнала считают недостоверными и стирают. Интервал [α₀, α₁] является зоной стирания фронтов посылок. Причем интервал [α₀, α₁] расположен симметрично внутри интервала значений [0,1], а величины α₀, α₁ связаны соотношением α₀=l-α₁=β, где коэффициент β зависит от величины МСИ. При увеличении МСИ коэффициент β уменьшается, и число стертых фронтов возрастает.

Положение посылки задают ее фазой, которая может принимать значения ϕ_i=0, τ, 2τ…, (m-1)τ.Фаза фронта равна ϕ_i, если b_t имеет низкий уровень, a b_i+1 - высокий уровень или наоборот, т.е. при переходе от i-го отсчета к i+1-му отсчету происходит изменение уровня сигнала. Истинные фронты соответствуют границам неискаженных двоичных посылок, а ложные фронты - смене полярности сигнала внутри посылки. Ложные фронты чаще всего возникают в результате краевых искажений и дроблений двоичных посылок, обусловленных изменениями амплитуды сигнала при воздействии МСИ или случайных шумов в канале связи. Стирание ложных фронтов повышает вероятность установления границ посылок.

Пусть на длине N посылок получено n фронтов с координатами

которые будем называть фазами фронтов.

Фазы ложных фронтов из-за случайного характера МСИ и шумов также являются случайными величинами. Случайная величина фаз фронтов описывается гистограммой Р(ϕ) распределения частот фаз фронтов. Гистограмма является аппроксимацией плотности распределения случайной величины и площадь под кривой плотности распределения будет равна 1. Для построения такой гистограммы определяют частоты появления фаз фронтов. В описываемом способе при построении гистограммы для упрощения используют итеративную процедуру. Гистограмму строят в памяти вычислительного устройства, содержащей m запоминающих ячеек по числу различных возможных фаз фронтов. Для построения гистограммы распределения последних n фаз фронтов двоичных посылок содержимое памяти по адресу памяти, равному последней фазе фронта ϕ_j двоичной посылки, увеличивают на 1, а содержимое памяти по адресу памяти, равному фазе фронта двоичной посылки, предшествующей n фазам фронтов ϕ_i двоичных посылок уменьшают на 1. В начальный момент времени память обнуляют и считают, что предшествующие фазы фронтов отсутствуют и содержимое памяти не уменьшаем. Таким образом, в ячейках памяти после прихода n фаз фронтов двоичных посылок будут записаны значения, величины которых пропорциональны частоте фаз фронтов двоичных посылок, то есть будет записана гистограмма распределения фаз фронтов. При поступлении следующих фронтов гистограмму корректируют, и она будет соответствовать текущему моменту времени.

Затем, в скользящем окне длины к≤m последовательных фаз фронтов посылок подсчитывают площадь под гистограммой распределения, начиная с начального или нулевого положения скользящего окна и заканчивая последним положением начала скользящего окна с учетом циклической нумерации отсчетов фаз фронтов двоичных посылок. Полученные значения площадей под гистограммой сравнивают между собой по величине и выбирают положение скользящего окна, при котором достигается максимальная величина значения площади под гистограммой распределения и далее оценкой фазы фронтов неискаженных двоичных посылок считают среднее значение фаз фронтов двоичных посылок скользящего окна длины k последовательных фаз фронтов посылок с максимальной величиной площади под гистограммой распределения. Гистограмма Р(ϕ) распределения фаз фронтов и выбор оценки фазы фронтов ϕ_g неискаженных двоичных посылок по гистограмме иллюстрируются на чертеже. Обычно k выбирают в диапазоне 3≤k≤m/2. Таким образом, в качестве оценки фазы выбирают фазу ϕ_g=ϕ_i обеспечивающую максимальное значение выражения

где фазы считаются расположенными в циклическом порядке, т.е. номера фаз i приводятся по модулю m.

В каналах относительно хорошего качества в основном будут фронты неискаженных двоичных посылок, которые на гистограмме распределения фаз фронтов образуют явно выраженный экстремум. При мономодальном распределении гистограммы распределения фаз фронтов двоичных посылок принимают решение о наличии сигнала в канале связи, в противном случае обычно считают, что сигнал в канале связи отсутствует.

При ухудшении качества канала число ложных фронтов возрастает, и гистограмма распределения не будет иметь явно выраженного экстремума в области фазы фронтов неискаженных двоичных посылок. В этом случае длину окна из k последовательных фаз фронтов двоичных посылок следует корректировать в зависимости от статистических параметров гистограммы распределения. Дисперсия распределения фаз фронтов выражается формулой

При более пологой гистограмме распределения фаз фронтов дисперсия распределения возрастает, при более крутой - уменьшается. Длину окна из k последовательных фаз фронтов двоичных посылок выбирают в зависимости от величины дисперсии распределения фаз фронтов двоичных посылок по гистограмме распределения, при возрастании дисперсии распределения фаз фронтов двоичных посылок длину окна к последовательных фаз фронтов двоичных посылок увеличивают, а при уменьшении - сокращают. Изменение длины скользящего окна в зависимости от дисперсии распределения фаз фронтов позволяет с большей точностью и за меньшее время определять положение фаз фронтов неискаженных посылок при изменении качества канала связи.

Для построения гистограммы распределения фаз фронтов и определения площади под гистограммой в скользящем окне требуется выполнение только операций суммирования некоторых величин. Сравнение площадей также является несложной операцией. Поэтому определение наиболее вероятного положения фаз фронтов под гистограммой не требует больших вычислительных затрат.

После определения фазы фронтов неискаженных двоичных посылок значения посылок восстанавливают в зависимости от числа отсчетов в интервале от α₁ до 1, и числа отсчетов в интервале от 0 до α₀. При числе отсчетов в интервале от α₁ до 1 больше числа отсчетов в интервале от 0 до α₀ принимают решение о приеме единичной посылки, а при числе отсчетов в интервале от 0 до α₀ больше или равном числа отсчетов в интервале от α₁ до 1 принимают решение о приеме нулевой посылки.

Преимуществом предложенного способа является повышение точности и скорости установления фазы фронтов посылок в канале связи с МСИ. Изменение длины скользящего окна, в котором определяют положение фазы фронтов неискаженных посылок, а также величины порога стираний недостоверных фронтов позволяет подстраиваться под изменение качества канала связи. Это снижает уровень битовых ошибок после регистрации и восстановления посылок за счет стирания недостоверных фаз фронтов входных двоичных посылок. Увеличение точности определения границ двоичных посылок снижает уровень МСИ после корректора искажений.

Для реализации способа требуется выполнение простейших арифметических операций, что снижает требования к вычислительным ресурсам для реализации способа.

Достигаемым техническим результатом способа регистрации и восстановления посылок в каналах связи с МСИ является повышение точности и скорости восстановления двоичных посылок при передаче цифровых сигналов, а также уменьшение вычислительной сложности реализации способа.

Изобретение относится к области регистрации и восстановления посылок в каналах связи с межсимвольными искажениями. Технический результат заключается в повышении точности и скорости восстановления двоичных посылок при передаче цифровых сигналов. Для этого сначала по сигналам с выхода демодулятора определяют фазы фронтов принятых двоичных посылок. При определении фаз фронтов регистрируют только переходы из высокого уровня посылки в низкий уровень посылки и обратно, а переходы, начало или окончание которых находится между высоким и низким уровнем, не регистрируют. По последним n фазам фронтов двоичных посылок строят гистограмму распределения этих n фаз фронтов двоичных посылок. Затем в скользящем окне длины k последовательных фаз фронтов посылок подсчитывают площадь под гистограммой распределения. Значения площадей под гистограммой сравнивают между собой и выбирают положение скользящего окна, при котором достигается максимальная величина площади под гистограммой распределения. Оценкой фазы фронтов неискаженных двоичных посылок считают среднее значение фаз фронтов скользящего окна. Значение посылок восстанавливают в зависимости от числа отсчетов высокого уровня и числа отсчетов низкого уровня. При числе отсчетов высокого уровня больше числа отсчетов низкого уровня принимают решение о приеме единичной посылки, а при числе отсчетов низкого уровня, больше или равном числу отсчетов высокого уровня, принимают решение о приеме нулевой посылки. Причем длину окна из k последовательных фаз фронтов двоичных посылок выбирают в зависимости от величины дисперсии распределения фаз фронтов двоичных посылок. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ регистрации и восстановления посылок в каналах связи с межсимвольными искажениями, при котором сначала определяют последние n фаз фронтов принятых двоичных посылок, затем строят гистограмму распределения этих n фаз фронтов двоичных посылок, при построении гистограммы распределения фазу последнего фронта двоичных посылок добавляют в гистограмму распределения, а фазу фронта двоичных посылок предшествующего n фронтам посылок перед последним фронтом удаляют из гистограммы распределения, затем в скользящем окне длины k последовательных фаз фронтов посылок подсчитывают площадь под гистограммой распределения, начиная с начального положения скользящего окна и заканчивая последним на гистограмме положением скользящего окна с учетом циклической нумерации отсчетов фаз фронтов двоичных посылок, полученные значения площадей под гистограммой сравнивают между собой по величине и выбирают положение скользящего окна, при котором достигается максимальная величина значения площади под гистограммой распределения, и далее фазой фронтов неискаженных двоичных посылок считают среднее значение фаз фронтов двоичных посылок скользящего окна длины k последовательных фаз фронтов посылок с максимальной величиной площади под гистограммой распределения фронтов, отличающийся тем, что при определении фаз фронтов регистрируют только переходы из уровня посылки больше α₁ и до уровня посылки меньше α₀, где 1≥α₁>α₀≥0, и обратно, а переходы, начало или окончание которых находится в промежутке значений от α₀ до α₁, не регистрируют, после определения фазы фронтов неискаженных двоичных посылок значение посылок восстанавливают в зависимости от числа отсчетов в интервале от α₁ до 1 и числа отсчетов в интервале от 0 до α₀, при числе отсчетов в интервале от α₁ до 1 больше числа отсчетов в интервале от 0 до α₀ принимают решение о приеме единичной посылки, а при числе отсчетов в интервале от 0 до α₀, _{больше или равном числу отсчетов в интервале от α1 до 1, принимают решение о приеме нулевой посылки.}

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длину скользящего окна k выбирают в диапазоне 3≤k≤m/2 отсчетов, где m - число отсчетов на длине посылки.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что интервал значений [α₀, α₁] расположен симметрично внутри интервала значений [0,1], а величины α₀, α₁ связаны соотношением α₀=1-α₁=β, где β зависит от величины межсимвольных искажений.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длину окна из k последовательных фаз фронтов двоичных посылок выбирают в зависимости от величины дисперсии распределения фаз фронтов двоичных посылок.