Устройство установления тактовой синхронизации по информационным сигналам с ортогональным частотным разделением каналов

Полезная модель относится к области электрорадиотехники, а именно к технике радиосвязи, и может быть использована в системах передачи данных, использующих сигналы с ортогональным частотным разделением каналов, при работе в заданной полосе частот без введения избыточности, для установления и поддержания тактовой синхронизации. Основной задачей, на решение которой направлено предлагаемое устройство, является установление и поддержание тактовой синхронизации в процессе работы системы передачи данных, по информационным сигналам с ортогональным частотным разделением каналов, не прерывая при этом передачу полезной информации. Устройство установления тактовой синхронизации содержит аналого-цифровой преобразователь, блок накопления, блок вычисления разностей фаз, первый перемножитель блок вычисления синуса фазы, блок вычисления косинуса фазы, второй и третий перемножители, сумматор, блок вычисления корня, блок накопления и блоком принятия решения. Результат выражается в повышении точности установления синхронизации в каналах с замираниями амплитуды, такими как коротковолновые каналы связи.

Полезная модель относится к области электрорадиотехники, а именно к технике радиосвязи, и может быть использована в системах передачи данных, использующих сигналы с ортогональным частотным разделением каналов, при работе в заданной полосе частот без введения избыточности, для установления и поддержания тактовой синхронизации.

Для обеспечения стабильной работы системы передачи данных необходимо устанавливать и поддерживать тактовую синхронизацию, т.е. определять время начала/окончания элементарной посылки сигнала.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является устройство тактовой синхронизации (патент РФ на изобретение 2423798), принятое за прототип.

Устройство содержит аналогово-цифровой преобразователь, перемножитель, сумматор, блок принятия решения.

К недостаткам прототипа относится то, что в устройстве не обеспечивается адаптивное изменение порогов оценивания амплитуды, что приводит к снижению точности установки тактовой синхронизации при наличии замираний амплитуды сигнала в канале связи, и как следствие к снижению помехоустойчивости в целом.

Целью полезной модели является установление и поддержание тактовой синхронизации в процессе работы системы передачи данных, но информационным сигналам с ортогональным частотным разделением каналов, не прерывая при этом передачу полезной информации.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство установления тактовой синхронизации, содержащее аналогово-цифровой преобразователь, перемножитель, сумматор, блок принятия решения введены блок накопления и блок вычисления разностей фаз, включенные между аналогово-цифровым преобразователем и перемножителем. При этом первый выход перемножителя подключен к блоку вычисления синуса фазы, а второй - ко входу блока вычисления косинуса фазы, выходы которых соединены с перемножителями, иодключеными к сумматору. При этом выход с сумматора подключен к блоку вычисления корня, который соединен с блоком накопления, выход которого подключен к блоку принятия решения.

Структурная схема предлагаемого устройства изображена на фиг. 1.

Устройство установления тактовой синхронизации (см. фиг. 1) содержит аналогово-цифровой преобразователь 1, подключенный к блоку накопления 2, к выходу которого подключен блок вычисления разностей фаз 3, соединенный с перемножителем 4. При этом выходы перемножителя 4 подключены ко входу блока вычисления синуса фазы 5 и блоку вычисления косинуса фазы 6, соединенные с перемножителем 7 и перемножителем 8. При этом выходы перемножителя 7 и перемножителя 8 являются входом сумматора 9, соединенного с блоком вычисления корня 10, к которому подключен блок накопления 11, выход которого соединен с блоком принятия решения 12.

Предлагаемое устройство может быть использовано для систем связи, использующих сигналы с ортогональным частотным разделением каналов связи. Отличительной особенностью описанного устройства является возможность устанавливать и поддерживать тактовую синхронизацию при использовании сигналов с относительной или абсолютной фазовой модуляцией в условиях плотного частотного заполнения канала связи без введения дополнительной избыточности. Наличие такого устройства позволяет отказаться от применения тестовых сигналов для установления и поддержания тактовой синхронизации. При этом выделенную полосу частот можно использовать полностью для передачи данных, что приводит к повышению скорости передачи данных. Предлагаемое устройство может работать также в условиях наличия замираний амплитуды сигнала в канале связи.

Структура предлагаемого устройства тактовой синхронизации получена из следующих предположений.

Сигнал с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) и фазовой модуляцией (относительной или абсолютной) различной кратности на длительности элементарной посылки Т такой сигнал можно представить в следующем виде:

,

где N - количество используемых частот, A_m - амплитуда и f_m - номинал m - той частоты:

,

f=1/T, _m - задаваемая начальная фаза сигнала s(t). Предположим, что используется n - кратная относительная фазовая модуляция, т.е. _m может принимать любые из заданных 2ⁿ позиций на фазовой плоскости.

В этом случае плотность W() можно представить в следующем виде:

,

где n - кратность модуляции, - дельта-функция.

Если восстанавливать данную плотность по массиву значений разностей фаз , полученных с выхода демодулятора с шагом в один отсчет, то плотность W_k() будет деформироваться и стремиться к двум предельным видам:

,

при точно установленной тактовой синхронизации, и

,

при отсутствии тактовой синхронизации.

В этом случае в качестве контрастного индикатора положения момента синхронизации можно использовать расстояние между восстановленной и известной плотностями. В данной работе указанное расстояние К вычислялось для к - того шага следующим образом:

,

где W₀() - равномерная плотность.

Следует отметить, что выбор вида функционала имеет большое значение. Так, если в качестве функционала взять другую величину, например:

,

то максимальное значение, которое может принимать R_k в этом случае равно 2. А для реальных плотностей это значение не превышает 2. В то же время, если в качестве показателя взять евклидово расстояние

R_k=||W_k()-W₀()||,

то в те моменты времени, когда k-тый отсчет будет соответствовать времени начала посылки, R_k будет принимать максимальные значения и наоборот, когда k-тый отсчет будет соответствовать середине посылки, R_k будет принимать минимальные значения. Строго говоря, в первом случае R_k, а во втором R_k0.

Отсюда вытекает очевидный критерий установления тактовой синхронизации: будем считать, временем начала посылки на выделенном интервале тот момент времени t₀, когда показатель R_k принимает максимальное значение:

.

Таким образом, вне зависимости от передаваемой информации и используемой кратности модуляции имеется возможность использовать данный подход.

Для практического использования в реальных условиях необходимо конструктивное задание искомой плотности W_k(). Как указывалось выше, начиная с некоторого момента времени можно вычислять значения разностей начальных фаз на соседних посылках на всех поднесущих частотах, двигаясь окном длительностью T с шагом в один отсчет. Тогда для каждого k-того шага можно восстановить плотность распределения разности фаз в виде следующего разложения:

,

где и являются коэффициентами разложения и оцениваются по выборке следующим образом:

, ,

где M - объем выборки разностей фаз, - выборочные значения.

Такая форма записи адекватна периодической многомодальной плотности с неопределенным начальным положением (сдвигом). Тогда R_k можно определить следующим образом:

.

Также следует отметить, что для вычисления R_k необходимо использовать только те члены ряда, которые кратны 2ⁿ. Такое действие эквивалентно тому, что предварительно проводится процедура снятия модуляции и ставится в соответствие принятому массиву новый, по следующему правилу:

где 2ⁿ - количество разрешенных позиций разностей фаз.

Также необходимо учитывать, что для практического использования наличие шума накладывает ограничения. Так, например, для вычисления R_k необходимо использовать конечное разложение в ряд (Ряд должен ограничиваться теми слагаемыми, которые еще не вносят значительного шумового вклада). Кроме этого очевидно, что при заданном ОСШ и объеме массива разностей фаз, наиболее достоверно удается установить положение тактовой синхронизации для сигналов с двухпозиционной ОФМ.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Принимаемый сигнал подают на аналогово-цифровой преобразователь 1, в котором получают отсчеты сигнала, которые затем поступают в блок накопления 2, в котором производят накопление принятых отсчетов сигнала на длительности двух символов. Далее накопленный массив отсчетов передают в блок вычисления разностей фаз 3, где производят вычисление разностей фаз между двумя половинами полученного массива отсчетов принимаемого сигнала на всех используемых частотах. Далее, массив вычисленных разностей фаз на используемых частотах подают на перемножитель 4, в котором производят перемножение вычисленных разностей фаз на количество возможных позиций разностей фаз (кратность модуляции) используемых в данный момент. Затем, массив вычисленных значений передают в блок вычисления синуса фазы 5 и блок вычисления косинуса фазы 6, в которых соответственно вычисляют синусы и косинусы полученных значений. Далее вычисленный массив передают в перемножитель 7 и перемножитель 8, в котором возводят в квадрат полученные значения. Далее оба массива передают в сумматор 9, в котором производят суммирование всех элементов обоих массивов. Результат суммирования передают в блок вычисления корня 10, в котором вычисляют корень из полученного значения и передают его в блок накопления 11, в котором производят накопление принятых значений на длительности одного символа. Далее, полученный массив значений передают в блок принятия решения, в котором определяют максимальное значение и его положение в массиве, получая, таким образом, искомое положение тактовой синхронизации.

Предлагаемое устройство по сравнению с устройством-прототипом обладает следующим преимуществом:

- обеспечивает большую точность установления синхронизации в каналах с замираниями амплитуды, такими как коротковолновые каналы связи.

Устройство установления тактовой синхронизации по информационным сигналам с ортогональным частотным разделением каналов, содержащее аналого-цифровой преобразователь, первый перемножитель, сумматор, блок принятия решения, отличающееся тем, что введены первый блок накопления, производящий накопление принятых отсчетов сигнала, полученных с аналого-цифрового преобразователя, на длительности двух символов, вход которого подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя, выход первого блока накопления подключен ко входу блока вычисления разностей фаз, который производит вычисление разностей фаз между двумя половинами полученного массива отсчетов, полученных от первого блока накопления, выход блока вычисления разностей фаз подключен ко входу первого перемножителя, который производит перемножение полученных разностей фаз на используемых частотах на количество возможных позиций разностей фаз, используемых в данный момент, первый выход первого перемножителя подключен ко входу блока вычисления синуса фазы, а второй - ко входу блока вычисления косинуса фазы, выход блока вычисления синуса фазы соединен со входом второго перемножителя, который возводит в квадрат полученные значения, а выход блока вычисления косинуса фазы соединен со входом третьего перемножителя, который также возводит в квадрат полученные значения, выход второго перемножителя подключен к первому входу сумматора, а выход третьего перемножителя подключен ко второму входу сумматора, выход которого подключен ко входу блока вычисления корня, выход которого соединен со входом второго блока накопления, который осуществляет накопление принятых значений на длительности одного символа, выход второго блока накопления подключен ко входу блока принятия решения, который определяет максимальное значение в принятом массиве и его временное положение в массиве, которое соответствует времени начала посылки.

РИСУНКИ