Адаптивное устройство для приема избыточной информации Советский патент 1983 года по МПК G08C19/28 

Изобретение относится к электросвязи а именно к устройствам приема избыточных сигналов в целом, и может найти .применение в системах передачи дискретной информации, ИС пользующих для передачи информации избыточные коды большой длины. Известны устройства для оптималь ной обработки составных сигналов с избыточностью, формируемых на основе помехоустойчивых кодов. Известно устройство поэлементногр приема, содержащее приемник, по роговый селектор и блок декодирования, в котором осуществляется отождествление входной кодовой комбинации с ближайшей разрешающей кодовой комбинацией 1. Недостаток известного устройства - низкая помехоустойчивость прие ма. Наиболее близким.к изобретению по технической сущности является ус ройство для приема избыточной инфор мации , содержащее аналоговый демоду лятор (приемник), вход которого сое динен с входом устройства, выход с входом первого порогового селекто ра, выход которого соединен со входом декодера, причем выход аналогового демодулятора также соединен с первым входом блока вычитания и чер первый блок буферной памяти - с пер вым входом блока управления выдачей информации, выход и второй вход кот рого соединен соответственно с первыми входами и первым выходом перво блока регистров памяти, выход первого порогового селектора соединен через второй блок регистров памяти с первыми входами сумматоров и непосредственно со вторым входом блока вычитания, выход которого через второй блок буферной памяти соединен с первыми входами усилителя, первые выходы усилителя через второй пороговый селектор соединены со вторым входом усилителя, вторые выходы усилителя соединены со вторыми входами сумматора, выход которого через третий пороговый селектор сое динен со вторыми входами декодера, выход декодера соединен со вторыми входалш первого блока регистров памяти, второй выход которого соединен с выходом устройства 2. Достоинством известного устройст ва является высокая помехоустойчивость приема составных сигналов с избыточностью (теоретически потенциальная помехоустойчивость приема) в каналах с постоянными параметрами. Недостатком известного устройства является низкая помехоустойчивость приема составных сигналов с избыточностью в каналах с переменными параметрами, ч;го характернр для действующих систем передачи дискретной информации. Действительно, реальные системы есть системы с переменными параметрами, так как различные дестабилизирующие факторы (изменение температуры кабелейи усилителей, дрейф нуля в УПТ на усилительных пунктах, взаимные влияния каналов связи, изменение высоты отраженного слоя при ионосферной связи и т.д.) приводят к изменению параметров каналов связи. В частности, изменяется отношение сигнал-шум, по величине которого операторы вручную выставляют амплитуды пороговых напряжений, вырабатываемых в источниках пороговых напряжений (они входят в состав пороговых селекторов известного устройства) . По этой причине использование известного устройства в существующих системах не обеспечивает заданной помехоустойчивости приема (теоретически она есть потенциал) . С другой стороны, старение источников порогового напряжения происходит неравномерно вследствие того, что экономически невыгодно обеспечивать высокую степень идентичности их параметров, а поэтому увеличивается вероятность ошибочного решения, т.е. помехоустойчивость приема ухудшается , что ограничивает применение известного устройства в существующих системах передачи дискретной информации. Цель изобретения - повышение помехоустойчивости устройства за счет последовательного многопорогового преобразования аналоговых сигналов в дискретные. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для приема избыточной информации, содержащее аналоговый демодулятор, вход которого соединен с входом устройства, выход - с входом первого блока буферной памяти, выход первого, блока буферной памяти соединен с первым входом блока управления выдачей информации, первые выходы которого соединенУ с первыми входами блока регистров памяти, первый выход которого соединен с вторым входом блока управления выдачей информации,, элемент сравнения, выход которого соединен с входом регистра сдвига, первым.входом декодера и первым входом блока вычитания, выход которого через второй.блок буферной памяти соединен с первыми входами блока усилителей, первые выходы которого соединены с первыми входами первого блока сравнения, выход первого блока сравнения соединен с вторым входом блока усилителей, вторые выходы которого соединены с первыми входами блока сумматоров, второй вход, которого соединен с выходом регистра сдвига, выходы бло ка сумматоров соединены с первыми входами второго блока сравнения, выходы которого соединены с вторыми входами декодера,, выход которого соединен с вторым входом блока регистров памяти, выход которого соединен с выходом устройства, введены третий и четвертый блоки буферной памяти, первый 1зход третьего блока буферной памяти и вход четвертого блока буферной памяти подключены к выходу аналогового демодулятора, второй вход третьего блока буферной памяти соединен с вторым выходом блокауправления выдачей информации выход - с первым входом элемента сравнения и вторыми входами первого и второго блоков сравнения, выход четвертого блока буферной памяти со динен с вторыми входами элемента сравнения и блока вычитания. Теоретической основой изобретени является следующий факт. Наилучший или оптимальный уровен квантования.(это и есть амплитуда порогового напряжения) есть тот, ко торый минимизирует вероятность ошибки (или кодовое расстояние между входной и выходной комбинациями декодера). При каком-то значении отношени сигнал-шум, h величина оптимального порогового напряжения пусть будет Решение в пороговом селекторе принимается по правилу если Х: - lz« если X X где Х - амплитуда i-ro аналогового сигнала на выходе аналогов го демодулятора (блок 1, л i 1, п); Z - единичный-двоичный сигнал; 2 - нулевой двоичный сигнал; Очевидно, что можно указать тако сигнал Хр среди всех аналоговых сигналов, который будучи использова как пороговый, проводит к такой же двоичной комбинации Z, что и обраб ка с порогом Хщ . Будем считать, что при обработке того же сложного аналогового сигнала X i хЛ величи I -SiJi на отношения сигнал-шум под действи ем одной из отмеченных причин изменяется и стает Ь, для которого оптимальный порог также изменяется до значения Хщ. После преобразования сигнала X пороговым селектором будет формироваться другая двоичная комбинация Ъ. Но, как и в первом случае, среди всех элементарных ана логовых составляющих сложного сигнала X можно указать такой Хр, использовав который в качестве поро, гового получаем комбинацию Zj. Применение же в данном случае в качест ве пороговых значений других аналоговых сигналов приводит к другим двоичным комбинациям. Отличительная особенность оптимального порога (и ему соответствующего аналогового сигнала) заключается в том, что получаемая при. его использовании двоичная комбинация после декодирования, преобразовывается в двоичную разрешающую кодовую комбинацию, которая удалена от сигнала X на минимальное расстояние. Аналогичным образом для определенного отношения сигнал-шум существует оптимальноезначение порогового напряжения порогового селектора, совпадающее по результату решения ё одним из информационных аналоговых сигналов, если последний использо- . вать в качестве порогового напряжения. Таким образом, при неизвестном отношении сигнал-шум в канале связи необходимо взять в качестве напряжения первый элементарный аналоговый сигнал Х. и относительно него преобразовать сложный сигнал X в двоичную кодовую комбинацию Z по правилу X - 7 Xj,., , i ni 1 для 1 1, n (т.е. используемый в качестве порогового символ всегда будет нулевым). Далее в качестве порогового выбирают элементарный аналоговый символ (сигнал) Х,- , правило преобразования преобретает вид 1 ПИ V. - i ПИ 1 для i 1 , п. При этом на выходе порогового селектора получают двоичную комбинацию г и т.д. При последнем преобра-зовании пороговым будет сигнал Хц, а правило преобразования X в Z будет f 2 j i для i 1, п. Заметим, что после формирования двоичной комбинации Z она с помощью декодера .преобразуется в разрешенную двоичную кодовую комбинацию zj , после формирования Ъ аналогичным образом ее преобразуют в ZE. и т.д. Следовательно, после преобразования Z, в Z будет сформировано k разрешенных кодовых комбинаций. Далее предлагается вычислить расстояние (в той или иной метрике) от каждой из разрешенн ых кодовых комбинаций до сигнала X. Очевидно, что ближайшая к X комбинация Zfl соответствует оптимально му порогу и, следовательно, с точки зрения максимального критерия она наилучшим образом соответствует входному составному сигналу с избыточностью

После этого полученное значение порогового напряжения считают эталонным для всего приемника (для всех его пороговых селекторов) и устройство обрабатывает сигнал X по тому же алгоритму, что и известное.

Таким образом, избыточность помехоустойчивого кода используется в предлагаемом устройстве дважды: первый раз - для определения оптимального порога,, а второй - для при нятия решения по входному сигналу, что дает возможность обеспечить в каналах с переменными параметрами помехоустойчивость приема, близкую .. к потенциальной помехоустойчивости оптимального приема в целом - тем самым расширить функциональные возможности предлагаемого устройства.

В рассматриваемом случае под функциональными возможностями понимается способность устройства выполнять свои функции с заданным к.ачеством. Если же в какой-то ситуации (например в каналах с переменными параметрами) качество выполнения некоторой функции (например помехоустойчивости приема) не соответствует заданному значению, а после определенных изменений в устройстве это соответствие было восстановлено считается, что данные изменения расширяют функциональные возможности устройства.

На чертеже изображена структурна схема предлагаемого адаптивного устройства для приема избыточной информации.

Устройство содержит аналоговый демодулятор 1 (приемник), преобразующий элемент избыточного сигнала в аналоговые величины, например амплитуду импульсов, в двоичные дискретные, элемент 2. сравнения, преобразующий аналоговые сигналы, блок 3 вычитания, в котором из величин аналоговых импульсов вычитают амплитуды двоичных импульсов, первый и второй блоки 4 и 5 буферной памяти, реализованные, например, в виде дискретно-аналоговых элементов задержки, блок 6 усилителей, состоящий из п усилителей б, 6, .., бу, с регулируемыми коэффициентами усиления, а также генератора 7 линейно изменяющегося напряжения, выходное напряжение которого осуществляет синхронное изменение коэффициента усиления усилителей 6 - блок 8 сумматоров, осуществляющий поразрядное суммирование комбинаций сигналов, поступающих на его входы, и состоящий иф п одноразрядных

сумматоров, например, операционных усилителей 8, 8, ...,8,; двоичный регистр 9 сдвига, в который информа: ция записывается последовательно, а считывается параллельно, первый 5 блок 10 сравнения, который выполнен на элементах 11 - Ни сравнения и фиксаторе 12 перехода величины порогового напряжения величиной амплитуды сигнала на выходе одного из

10 усилителей 6 - 6„ блока 6, второй

блок 13 сравнения, выраженный на элементах 14ц сравнения, блок 15 регистров памяти, состоящий из п двоичных регистров 16 - 16 , блок

5 17 управления выдачей информации, состоящий из корреляторов 18,, - 18ц и детектора 19 максимального сигнала, декодер 20, в котором.каждой поступающей на его вход двоичной кодовой комбинации ставится в соответствие ближайшая разрешенная двоичная кодовая комбинация, третий блок 21 буферной памяти, выполненный, например, в виде дискретно-аналоговой

5 линии задержки. Выход этого блока потенциальный, т.е. после записи всех аналоговых сигналов x-(,n) на выходе блока 21 присутствует сигнал Ху, до тех пор, пока не осуществится сдвиг информации. При сдвиге

информации в блоке 21 сдвигается вся совокупность аналоговых сигналов вправо, причем считываемый сигнал записывается из последней правой ячейки в первую слева - осуществляется последовательное считывание с регистрацией. После этого для остальной части устройства пороговое напряжение определяется аналоговым сигналом, хранящимся в правой ячейке блока 21 буфер.ной памяти. Как только осуществится п сдвигов, на блок 21 буферной памяти из блока 17 поступает управляющий сигнал, по которому информацию в блоке 21 сдвигают на столько тактов, чтобы в его выходной (правой) ячейке был записан сигнал, обеспечивающий минимальное расстояние между соответствующей разрешенной кодовой

Q комбинацией и сложным анал говым сигналом, считываемым в блок 17 из блока 4 буферной памяти. Этот аналоговый сигнал присутствует на выходе блока 21 в течение всего последующего времени обработки аналогового сигнала, хранящегося в блоке 22, определяя оптимальный порог в блоках 10 и 13 и элементе 2.

Устройство содержи-т также четвертый блок 22 буферной памяти. В

0 нем хранится подлежащий преобразованию составной аналоговый сигнал, информация из него считывается после того, как в выходной ячейке блока 21 установится оптимальный пороговый сигнал. Данный блок иденти- . чен блоку 4 буферной памяти. Блок управления и синхронизации на чертеже не показан. Адаптивное устройство для приема избыточной информации работает cлeдVющим образом. На вход аналогового-демодулятора 1 поступает сложный составной сигнал с избыточностью s(t) Cs(t)S.,(t) .... s«(t) . На выходе аналогового демодулятора 1 появляется (последовательно) совокупность аналоговых сигналов Х. (Х , Х, ..., Xj,), соответствующих элементам входного сигнала. . Каждый аналоговый сигнал подается на входыблоков 21 и 22 буферной памяти, где и запоминается. Таким образом, в данных блоках памяти хранятся аналоговые элементарные сигналы Х (i 1, п), образующие составной аналоговый сигнал X. . После записи в блоки памяти сигнала X осуществляется сдвиг аналоговых сигналов (символов) в блоке 21 на один такт вправо (с гёнерациейТТ После первого сдвига сложны аналоговый сигнал, хранящийся в это блоке, имеет вид: X Ху,, Х;,,...,Х Вследствие того, что выход блока 21 потенциальный, на втором входе элемента 2 сравнения присутствует пороговый сигнал Ху, Х, , В этот момент начинают считывание сигнала X из блока .22 буферной памяти. Начальный коэффициент усиления усилителей блока б Kj 0.. Поэтому считы ,. ваёмый из блока 22 аналоговый сигнал записывается в блок 5, но блока ми 6-13 не обрабатывается. Он проходит через элемент 2, преобразуясь в двоичную кодовую комбинацию записывается в регистр 9, с помощью декодера 20 из него формируют разрешенную кодовую комбинацию 1п- которая запоминается в первом регис ре 16. блока регистров 15. Далее осуществляют второй сдвиг в блок 21, вследствие чего на его выходе появляется сигнал Х, , опре деляющий величину порогового напря жения на втором входе схемы сравне ния 2, т.е. Х Ху, . Повторяют считывание сигнала X из блока 22 и преобразование его с помощью элет мента 2 в двоичную комбинацию Z,a CZ 1. 2,1)1, ... записы вают в регистр 9 (предварительно сбросив комбинацию 2 ) , преобр зуют декодером 20 в двоичную кодовую комбинацию (разрешенную) , Zfyi-y которая, записываясь в регистр 15, сдвигает комбинацию Z,,) во второй регистр 16,j, и т.д. Наконец, после h сдвигов в блоке 21 пороговый уро вень определяется сигналом Ху,|, Х .После считывания из блока 22 сигнала X в результате рассмотренных операций его преобразуют в разрешенную кодовую комбинацию Z.f , которая записывается, сдвигая уже записанные в регистрах 16. , 16n-i комбинации, в первый регистр 16-1 блока 15 регистров (после сдвига в последнем регистре записывается комбинаРция г„). После этого из первого блока бу- ферной памяти в блок 17 считывается (с регенерацией) сигнал X, и в этот же блок 17 из блока 15 регистров 16 считываются разрешенные комбинации. В корреляторах 18 - 18у, блока 17 вычисляют степень близости сигнала X к каждой из разрешенных кодовых комбинаций (т.е. коэффициенты корреляции). В детектор 19 максимального сигнала их сравнивают, а по результату сравнения формируют в блок 21 управляющий сигнал. По этому управляющему сигналу в блоке 21 элементарЧ ные сигналы сдвигают на столько, чтобы в .его выходную (правую) йчейку записался сигнал Хр, для которого разрешенная комбинация Zn является самой близкой (коэффициент корреляции для нее максимальный) к составному аналоговому сигналу X. Следовательно, в результате описанных операций на элемент 2 сравнения, на соответствующие входы блоков 10 и 14 сравнения подается пороговое напряжение Х| 5 соответствующее оптимальному порогу для отношения сигнал-шум, которое в этот момент времени постоянно (т.е. на длительности составного сигнала с избыточностью оно не изменяется) . Далее из блока 22 буферной памяти еще раз считывается сигнал X и с помощью элемента 2 сравнения преобразуется в двоичную кодовую комбинацию (при рптимальном,пороговом напряжении, задаваемом аналоговым сигналом правой ячейки памяти блока 21) Z, которую записывают в двоичный регистр 8 сдвига, а декодером 20 преобразуют в разрешенную двоичную кодовую комбинацию Z , которую записывают в регистр 16 икоторая посимвольно поступает на второй вход блока 3 вычитания. На первый вход блока 3 синхронно (с несущественной, учитываемой задержкой, при преобразовании в элементе 2 сравнения) подаются символы X.,, так, что на выходе блока 3 появляется (последовательно) составной аналоговый разностный сигнал R (г г , ... TM)- . В результате выполнения операции вычитания в блок 5 буферной памяти записывается составной сигнал R. Из блока буферной памяти эти, входящие в R, сигналы параллельно

подаются на усилители 6 , б, / . . . , 6 -с регулируемыми коэффициентами усиления. В это время запускается генератор 7 линейно изменяющегося напряжения и коэффициент усиления усилителей 6 блока 6 увеличивается. Выходные сигналы усилителей подаются на элементы И, 11,..., 11 сравнения, к другим входам которых подключен источник эталонного порогового напряжения - последняя ячейка памяти блока 14 буферной памяти. Как только в каком-нибудь элементе сравнения выходной сигнал усилителя превышает величину порогового напряжения, то.сразу же его сравнивает фиксатор 12 перехода, и генератор 7 линейно изменяющегося напряжения выключается.

Усиленные сигналы с выхода усилителей 6 - G, подаются на входы .cooтвeтcтвi ющиx одноразрядных сумматоров 8 , В, ..., 8, где суммируются с величинами сигналов, поступающих на другие входы сумматоров ЗУ, с ячеек памяти блока 9. Далее результирующие сигналы преобразуются в двоичные сигналы посредством элементов 14.,. 14, ... 14 „ сравнения (источник эталонного порогового напряжения тот же, что и для элементов 11 - 11у блока 10 сравне- ния) , после чего поступгиот в декодер 20. Сформированная декодером 20 разрешенная двоичная кодовая комбинация, ближайшая с полученной, записывается в регистр 16 предварительно очищенного блока 15, т.е. в блок 15 были записаны разрешенные кодовые комбинации, которые принимали участие при выборе оптимального порогового напряжения, после чего бло 15 был очищен и в него записалась разрешенная двоичная кодовая комбинция - первая грубая оценка сигнала X при оптимальном пороговом напряжении. Далее в первый регистр 16 подается комбинация zP , которая сдвигает во второй регистр комбинацию 1 , После этого опять запускается Генератор 7 линейно изменяющегося напряжения, осуществляются выше рассмотренные операции, и в регистр 16 записьавается следующая разрешенная двоичная комбинация, а ранее записанные комбинации переписываются в регистр i6, 16, и т.д., пока все п регистров не будут заполнены. Далее детектор 19 максимального сигнала считывает из регистров комбинации (с регенерацией) в коррелятры 18у,,. надругие входы которы подается составной аналоговый сигнал X из блока 4 буферной памяти. Величины выходных сигналов корреляторов соответствуют коэффициентам корреляции соответствующих комбинаций. Эти сигналы поступают в детектор максимального сигнала, где определяют максимальный коэффициент корреляции и ему соответствующую разрешенную кодовую комбинацию, котрую и ему соответствующую разрешенную кодовую комбинацию из блока 15 считывают на выход устройства. Далее все элементы памяти очищаются, и устройство готово к обработке следующего сигнала.

Технические преимущества предлагаемого изобретения по сравнению с известным состоят в том, что величина порогового напряжения, минимизирующая вероятность ошибочного приема составного сигнала с избыточностью, выбирается для каждого обрабатываемого составного сигнала отдельно, тем самым обеспечивая оптимальную (с точки зрения критерия максимального правдоподобия обработку составных сигналов с избыточностью в целом. При этом оно остается инвариантным к изменению сигнал шум на входе устройства. В предлагаемом устройстве имеется только один источник порогового напряжения (последняя ячейка блока 14 буферной памяти), что устраняет имеющееся в известном устройстве влияние разброса характеристик источников порогового напряжения.

Положительный эффект от использования предлагаемого изобретения по сравнению с базовым объектом заключается в существенном повышении помехоустойчивости и расширении функциональных возможностей адаптивного устройства для приёма избыточной информации. Кроме того, устройство не требует участия оператора в процесс его эксплуатации, исключает использование специальных устройств для измерения характеристик каналов связи, т.е. экономически выгоднее применять это устройство и в системах, параметры каналов связи которых постоянны во времени.

Достижение поставленной цели подтверждается «следующим образом.

Пусть параметры избыточного кода, на основе комбинаций которого формируются составные сигналы с избыточностью, есть - длина кодовой комбинации п 8, количество информационных символов К 3, элементарные сигналы - ортогональные, а отношение сигнал - шум на элемент п 5. Столь короткий код выбран потому, что с его помощью можно доказать достоверность-функционирования нового приемника в соответствии с заданным качеством и в то же время затратить на вычисление доступное машинное время. На ЭЦВМ МИР-2 проводят вычисления вероятности ошибочного приема, результаты которых, в частности, следующие..

Для известного устройства при h 5 и о.птимальном пороге Р 110 , если отношение сигнал шум при этом же неизменномпороге изменилось и стало h 4, то

Рош .

Устройство в первом случае обеспечивает РОШ 1,5. , но во вто.-т ром - РОЩ 210

Таким образом,: устройство реализует потенциальную помехоустойчивость приема в целом не только в каналах с постоянными параметрами (как и известное устройство), но и в каналах с переменными параметрами, т.е. класс систем передачи дискретной информации, в которых целесообразно использовать предлагаемое изобретение, шире. .

АДАПТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИЕМА ИЗБЫТОЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ, содержащее аналоговый демодулятор, вход которого соединен с входом устройства, выход - с входом первого блока . буферной памяти, выход первого блока буферной памяти соединен с первым входом блока управления выдачей информации, первые выходы которого соединены с первыми входами блока регистров памяти, первый выход |соторого соединен с вторым входом блока управления выдачей информации, элемент сравнения, выход которого соединен с входом регистра сдвига, первым, входом декодера и первым входом блока вычитания, выход которого через второй блок буферной памяти соединен с первыми входами блока усилителей, первые выходы которого соединены с первыми входами первого блока сравнения, выход первого блока сравнения соединен с вторЕлм входом блока усилителей, вторые выходы которого соединены с первыми входами блока сумматоров, второй вход которого соединен с выходом регистра сдвига, выходы блока сумматоров соединены с первыми входами второго блока сравнения, выходы которого соединены с вторуми входами декодера, выход которого соединен с вторым входом блока регистров памяти-, выход которого соединен с выходом устройства, отличаю щ.ееся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости устройства, в него введены третий и четвертый блоки бу(Л ферной памяти, первый вход третьего блока буферной памяти и вход четвертого блока буферной памяти подключены к выходу аналогового демодулятот ра, второй вход третьего блока буферной памяти соединен .с вторым выходом блока управления выдачей информации, выход - с первым входом элемента сравнения и вторыми входами первого и второго блоков сравнения, выход четвертого блока буферю ной памяти соединен с вторыми входами элемента сравнения и-блока вы00 читания.