Генератор двадцатиразрядной последовательности вида "10011100011111111100"
Генератор двадцатиразрядной последовательности предназначен для получения последовательности вида «10011100011111111100», обладающей корреляционными характеристиками близкими по критерию качества - равенство нулю боковых лепестков автокорреляционной функции сигнала, как в периодическом режиме, так и в апериодическом режиме - к соответствующим характеристикам М-последовательности, и дальнейшем использовании генератора для создания и совершенствования систем синхронизации существующих и перспективных систем связи. Таким образом, генератор предназначен для получения двадцати разрядной последовательности вида «10011100011111111100».
Изобретение относится к области радиотехнике, может использоваться для систем синхронизации.
Известен генератор псевдослучайных последовательностей [1], содержащий генератор тактовых импульсов, блок памяти, блок формирования составных последовательностей, n блоков формирования адреса, последовательно соединенные элемент И и триггер, прямой и инверсный выходы которого соединены с первым и вторым входами блока формирования составных последовательностей, выход генератора тактовых импульсов соединен с первым входом элемента И, второй вход которого является входом разрешения работы генератора и соединен с входом разрешения чтения блока памяти, прямой выход триггера соединен со счетными входами n блоков формирования адреса, управляющий вход каждого из которых подключен к шине кода длины соответствующей последовательности, а выходы соединены с входами блока памяти, информационные выходы которого соединены с входами блока формирования составных последовательностей, информационные выходы которого являются информационными выходами генератора, блок формирования адреса содержит первый и второй счетчики импульсов, первый и второй блоки сравнения и сумматор по модулю, причем счетный вход первого счетчика импульсов является счетным входом блока, а информационные выходы соединены с первыми входами первого блока сравнения и первыми информационными входами сумматора по модулю, вход подачи кода длины последовательности соединен с входом модуля сумматора по модулю и с вторыми входами первого и второго блоков сравнения, выход первого блока сравнения соединен с входом обнуления первого счетчика импульсов и счетным входом второго счетчика импульсов, информационные выходы которого соединены с вторыми информационными входами сумматора по модулю, информационные выходы которого являются информационными выходами блока, и с первыми входами второго блока сравнения, выход которого соединен с входом обнуления второго счетчика импульсов, блок формирования составных последовательностей в точках пересечения выходов сформированных опорных 1i и 1j (i
j) последовательностей, являющихся информационными входами блока, содержит элементы 2-2И-ИЛИ, вторые и четвертые входы которых являются входами подачи 1i и 1j последовательностей соответственно, первые входы являются первыми управляющими входами, а третьи - вторыми управляющими входами блока, выходы элементов являются выходами составных, а выходы 
, где К - максимальное число формируемых опорных последовательностей) - выходами опорных последовательностей и являются информационными выходами блока.
Однако данное устройство не обеспечивает получения двадцатиразрядной последовательности вида «10011100011111111100».
Наиболее близким к предполагаемому генератору по технической сущности является - генератор псевдослучайных последовательностей [2], содержащий генератор тактовых импульсов, два счетчика импульсов и блок памяти, блок формирования кодов, два блока сравнения, два элемента ИЛИ, сумматор по модулю, мультиплексор, элемент И, формирователь импульсов, причем первый вход блока формирования кодов соединен с входом задания модуля, второй вход - с входом задания первообразного элемента, третий вход - с входом запуска, первый выход блока формирования кодов соединен с первым входом элемента И, второй выход - с первыми входами первого и второго элементов ИЛИ, третий выход - с первыми входами блоков сравнения и сумматора по модулю, четвертый выход - с первым входом мультиплексора, пятый выход - с управляющим входом мультиплексора, шестой выход - с информационным входом блока памяти, а седьмой выход - с входом разрешения записи блока памяти, выход генератора тактовых импульсов соединен с вторым входом элемента И, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика импульсов и входом формирователя импульсов, выход которого соединен с входом разрешения чтения блока памяти, выход первого счетчика импульсов соединен с вторыми входами сумматора по модулю и первого блока сравнения, выход которого соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ и со счетным входом второго счетчика импульсов, выход которого соединен с третьим входом сумматора по модулю и с вторым входом второго блока сравнения, выход которого соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с обнуляющим входом второго счетчика импульсов, выход первого элемента ИЛИ соединен с обнуляющим входом первого счетчика импульсов, выход сумматора по модулю - с вторым входом мультиплексора, выход которого соединен с адресным входом блока памяти, выход которого является выходом генератора, блок формирования кодов содержит умножитель, три элемента задержки, два элемента ИЛИ, блок сравнения, мультиплексор, формирователь остатка, счетчик импульсов, триггер и элемент И, первый вход блока соединен с первыми входами формирователя остатка и блока сравнения и третьим входом блока, второй вход - с первым входом умножителя, третий вход - с вторым входом блока, с входом установки единичного состояния триггера, с входом установки единичного состояния счетчика импульсов, с входом первого элемента задержки, выход которого соединен с первыми входами первого и второго элемента ИЛИ, с управляющим и первым информационным входами мультиплексора, выход которого соединен с вторым входом умножителя, выход которого соединен с вторым входом формирователя остатка, информационный выход которого соединен с вторым информационным входом мультиплексора и четвертым выходом блока, управляющий выход формирователя остатка соединен с пятым выходом блока, с вторым входом первого элемента ИЛИ, с входом второго элемента задержки, с вторым входом второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с седьмым выходом блока, выход первого элемента ИЛИ соединен с входом третьего элемента задержки, выход которого соединен с первым входом элемента И, выход которого соединен с шестым выходом блока и вторым входом блока сравнения, выход которого соединен с обнуляющим входом счетчика импульсов, с входом установки в "0" триггера, прямой выход которого соединен с вторым входом элемента И, а инверсный выход - с первым выходом блока [2].
Однако данный генератор не обеспечивает возможность получения последовательности вида «10011100011111111100».
Цель генератора - получение двадцатиразрядной последовательности вида «10011100011111111100», обладающей корреляционными характеристиками, близкими по критерию качества - равенство нулю боковых лепестков автокорреляционной функции сигнала в периодическом режиме - к соответствующим характеристикам М-последовательности.
Эта цель достигается тем, что в устройство - генератор псевдослучайных последовательностей [2], к существующим элементам: генератору тактовых импульсов, блоку триггеров, сумматору по модулю, элементу И, введены: шесть элементов НЕ, каждый из которых имеет один вход и один выход, четыре сумматора по модулю два, каждый из которых имеет два входа и один выход, причем элемент И, имеет десять входов и один выход, а существующий блок триггеров, заменяем на блок триггеров, состоящий из десяти триггеров с начальным состоянием «1000111001», объединенных в сдвиговый регистр, причем выход элемента И соединен с первыми входами четырех сумматоров по модулю два, выход первого сумматора по модулю два соединен с входом первого триггера регистра сдвига, выход первого регистра сдвига соединен с входом первого элемента НЕ, причем выход первого элемента НЕ соединен с первым входом элемента И, также выход первого триггера соединен с входом второго триггера, выход второго триггера соединен с входом второго элемента НЕ, причем выход второго элемента НЕ соединен со вторым входом элемента И, также выход второго триггера соединен с входом третьего триггера, выход третьего триггера соединен с третьим входом элемента И, также выход третьего триггера соединен со вторым входом второго сумматора по модулю два, выход этого сумматора по модулю два соединен с входом четвертого триггера, выход четвертого триггера соединен с четвертым входом элемента И, а также с пятым триггером, выход пятого триггера соединен с пятым входом элемента И, а также пятый триггер соединен с входом шестого триггера, выход шестого триггера соединен с входом третьего элементом НЕ, выход третьего элемента НЕ соединен с шестым входом элемента И, также выход шестого триггера соединен со входом пятого сумматора по модулю два, а также выход шестого триггера соединен со вторым входом третьего сумматора по модулю два, выход третьего сумматора по модулю два соединен с седьмым триггером, выход седьмого триггера соединен с входом четвертого элемента НЕ, выход четвертого элемента НЕ соединен с седьмым входом элемента И, также седьмой триггер соединен с входом восьмого триггера, выход восьмого триггера соединен с входом пятого элемента НЕ, выход пятого элемента НЕ соединен с восьмым входом элемента И, также восьмой триггер соединен с входом девятого триггера, выход девятого триггера соединен с входом шестого элемента НЕ, причем выход этого элемента НЕ соединен с девятым входом элемента И, также выход девятого триггера соединен со вторым входом пятого сумматора по модулю два, также выход девятого триггера соединен со вторым входом четвертого сумматора по модуля два, вход четвертого сумматора по модулю два соединен с десятым триггером, выход десятого триггера соединен с входом седьмого элемента НЕ, причем выход этого элемента НЕ соединен с десятым входом элемента И, также выход десятого триггера является выходом генератора двадцатиразрядной последовательности вида «10011100011111111100».
В связи с тем, что предлагаемое устройство, благодаря введению отличительных от прототипа признаков: шести элементов НЕ, каждый из которых имеет один вход и один выход, четырех сумматоров по модулю два, каждый из которых имеет два входа и один выход, причем элемент И, имеет десять входов и один выход, а существующий блок триггеров, заменен на блок триггеров, состоящий из десяти триггеров с начальным состоянием «1000111001», и соответствующих связей, позволяет получить двадцатиразрядную последовательность вида «10011100011111111100», следовательно, оно (генератор) удовлетворяет критерию «новизна».
Веденные в устройство отличительные признаки в совокупности не встречаются в других аналогах и прототипах. Поставленная в предлагаемом устройстве цель достигается только благодаря введению предложенных отличительных признаков, следовательно, данное заявляемое устройство удовлетворяет критерию «существенное отличие».
Промышленная воспроизводимость регистров сдвига, элементов И, элементов НЕ, сумматоров по модулю два обусловлена наличием элементной базы.
На фиг.1 представлена электрическая структурная схема предлагаемого устройства - генератора двадцатиразрядной последовательности вида «10011100011111111100», на фиг.2 представлена диаграмма состояний работы генератора, на фиг.3 представлен график автокорреляционной функции последовательности вида «10011100011111111100».
На фиг.1 обозначено:
1 - элемент И;
2 - первый элемент НЕ;
3 - второй элемент НЕ;
4 - третий элемент НЕ;
5 - четвертый элемент НЕ;
6 - пятый элемент НЕ;
7 - шестой элемент НЕ;
8 - седьмой элемент НЕ;
9 - первый сумматор по модулю два;
10 - второй сумматор по модулю два;
11 - третий сумматор по модулю два;
12 - четвертый сумматор по модулю два;
13 - регистр сдвига с начальным состоянием «1000111001»;
14 - пятый сумматор по модулю два;
15 - генератор тактовых импульсов.
В генераторе двадцатиразрядной последовательности вида «10011100011111111100» выход 1 элемента И соединен с первыми входами элементов 9, 10, 11, 12 сумматоров по модулю два. Выход элемента 9 первого сумматора по модулю два соединен с входом первого триггера 13 регистра сдвига. Выход первого триггера соединен с входом 2 первого элемента НЕ, причем выход 2 первого элемента НЕ соединен с первым входом 1 элемента И, а так же с входом второго триггера 13 регистра сдвига. Выход второго триггера 13 регистра сдвига соединен с входом 3 второго элемента НЕ, причем выход 3 второго элемента НЕ соединен со вторым входом 1 элемента И, также выход второго триггера 13 регистра сдвига соединен с входом третьего триггера 13 регистра сдвига. Выход третьего триггера соединен с третьим входом 1 элемента И, также выход третьего триггера соединен со вторым входом 10 второго сумматора по модулю два, причем выход 10 второго сумматора по модулю два соединен с входом четвертого триггера 13 регистра сдвига. Выход четвертого триггера 13 регистра сдвига соединен с четвертым входом 1 элемента И, также выход четвертого триггера соединен с входом пятого триггера 13 регистра сдвига. Выход пятого триггера 13 регистра сдвига соединен с пятым входом 1 элемента И, а также соединен с входом шестого триггера 13 регистра сдвига. Выход шестого триггера 13 регистра сдвига соединен с входом 4 третьего элемента НЕ, причем выход 4 третьего элемента НЕ соединен с шестым входом 1 элемента И, также выход шестого триггера соединен с первым входом 14 пятого сумматора по модулю два, также выход шестого триггера соединен с вторым входом 11 третьего сумматора по модулю два, причем выход 11 третьего сумматора по модулю два соединен с входом седьмого триггера 13 регистра сдвига. Выход седьмого триггера 13 регистра сдвига соединен с входом 5 четвертого элемента НЕ, причем выход 5 четвертого элемента НЕ соединен с седьмым входом 1 элемента И, также выход седьмого триггера соединен с входом восьмого триггера 13 регистра сдвига. Выход восьмого триггера 13 регистра сдвига соединен с входом 6 пятого элемента НЕ, причем выход 6 пятого элемента НЕ соединен с восьмым входом 1 элемента И, также выход восьмого триггера соединен с входом девятого триггера 13 регистра сдвига. Выход девятого триггера 13 регистра сдвига соединен с входом 1 шестого элемента НЕ, причем выход 7 шестого элемента НЕ соединен с девятым входом 1 элемента И, также выход девятого триггера соединен со вторым входом 14 пятого сумматора по Модулу два, причем выход 14 пятого сумматора по модулю два соединен с входом 9 первого сумматора по модулю два, так же выход девятого триггера соединен со вторым входом 12 четвертого сумматора по модулю два, причем выход 12 четвертого сумматора по модулю два соединен с входом десятого триггера 13 регистра сдвига. Выход десятого триггера 13 регистра сдвига соединен с входом 8 седьмого элемента НЕ, причем выход 8 седьмого элемента НЕ соединен с десятым входом 1 элемента И, так же выход десятого триггера 13 регистра сдвига является выходом схемы генератора двадцати разрядной последовательности вида «10011100011111111100».
Предлагаемое устройство - генератор двадцатиразрядной последовательности вида «10011100011111111100» работает следующим образом. Для пояснения работы генератора построим диаграмму состояний Q(0), Q(1),
,Q(19), изображенную на фигуре 2. При этом Q(0) - состояние 13 регистра сдвига на нулевом такте работы, Q(1) - состояние 13 регистра сдвига на первом такте работы, Q(19) - состояние 13 регистра сдвига на девятнадцатом такте работы генератора. Состояния триггеров в 13 регистре сдвига обозначаются символом D.
Начальное состояние 13 регистра сдвига есть Q(0)=«1000111001». На первом такте работы вся последовательность сдвигается вправо на один разряд, а в первый триггер записывается то значение, которое образуется в результате суммирования в 14 пятом сумматоре по модулю два значений с шестого и девятого триггеров, то есть D(6)
D(9)=D(1), следовательно «1»«0»=«1», что и видно из диаграммы состояний работы генератора, на втором и последующих тактах работы, вплоть до девятнадцатого такта, схема работает аналогично. На девятнадцатом такте работы триггеры в 13 регистре сдвига принимают значения «0011100000». Следовательно, на 2 первый элемент НЕ с первого триггера поступает «0», который после прохождения 2 первого элемента НЕ инвертируется, превращается в «1», которая поступает на первый вход 1 элемента И. На 3 второй элемент НЕ поступает «1» с второго триггера. С выхода 3 второго элемента НЕ на второй вход 1 элемента И поступает «1». С третьего триггера на третей вход 1 элемент И поступает «1». С четвертого триггера на четвертый вход 1 элемент И поступает «1». С пятого триггера на пятый вход 1 элемент И поступает «1». С шестого триггера на вход 4 третьего элемента НЕ поступает «0», а с выхода 4 третьего элемента НЕ на шестой вход 1 элемента И поступает «1». С седьмого триггера на вход 5 четвертого элемента НЕ поступает «0», а с выхода 5 четвертого элемента НЕ на седьмой вход 1 элемента И поступает «1» С восьмого триггера на 6 пятый элемент НЕ поступает «0», а с выхода 6 пятого элемента НЕ на восьмой вход 1 элемента И поступает «1». С девятого триггера на 7 шестой элемент НЕ поступает «0», а с выхода 7 шестого элемента НЕ на девятый вход 1 элемента И поступает «1». С десятого триггера на 8 седьмой элемент НЕ поступает «0», а с выхода 8 седьмого элемента НЕ на десятый вход 7 элемента И поступает «1». Тем самым на все десять входов 1 элемента И поступают «1», следовательно «1» поступает на первые входы элементов 9, 10, 11, 12 сумматоров по модулю два. Итак, с выхода девятого триггера 13 регистра сдвига на второй вход 14 пятого сумматора по модулю два поступает «0», причем на первый вход 14 пятого сумматора по модулю два с выхода шестого триггера 13 регистра сдвига поступает «0», тогда с выхода 14 пятого сумматора по модулю два на второй вход 9 первого сумматора по модулю два поступает «0», а на первый вход 9 первого сумматора по модулю два с выхода 1 элемента И поступает «1», тем самым с выхода 9 первого сумматора по модулю два, на вход 13 регистра сдвига поступает «1», которая записывается в первый триггер 13 регистра сдвига. Параллельно с этим с выхода первого триггера на вход второго триггера поступает «0», во второй триггер записывается «0», с выхода второго триггера на вход третьего триггера поступает «0, следовательно, в третий триггер записывается «0». С выхода третьего триггера на второй вход 10 второго сумматора по модулю два поступает «1», а на первый вход 10 второго сумматора по модулю два тоже поступает «1», тогда с выхода 10 второго сумматора по модулю два, на вход четвертого триггера поступает «0», следовательно, в четвертый триггер 13 регистра сдвига записывается «0». С выхода четвертого триггера на вход пятого триггера поступает «1», следовательно, в пятый триггер записывается «1». С выхода пятого триггера на вход шестого триггера поступает «1», следовательно, в шестой триггер записывается «1». С выхода шестого триггера на второй вход 11 третьего сумматора по модулю два поступает «0», а на первый вход 11 третьего сумматора по модулю два поступает «1», следовательно, с выхода 11 третьего сумматора по модулю два на вход седьмого триггера поступает «1», значит, в седьмой триггер записывается «1». С выхода седьмого триггера на вход восьмого триггера поступает «0», следовательно, в восьмой триггер записывается «0». С выхода восьмого триггера на вход девятого триггера поступает «0», следовательно, в девятый триггер записывается «0». С выхода девятого триггера на второй вход 12 четвертого сумматора по модулю два поступает «0», а на первый вход 12 четвертого сумматора по модулю два поступает «1», следовательно, на вход десятого триггера поступает «1», тем самым в десятый триггер записывается «1». Следовательно, на двадцатом такте работы генератора имеем следующие состояние триггеров Q(20)=«1000111001», что соответствует начальному состоянию генератора, Q(20)=Q(0).
Таким образом, синтезированный генератор полностью соответствует своей диаграмме состояний, изображенной на фигуре 2, имеет период последовательности 20, при начальном состоянии генератора «1000111001», воспроизводит последовательность вида «10011100011111111100».
В системах радиосвязи, функционирующих в условиях помех, для повышения помехозащищенности передачи информации используют широкополосные сигналы. Такие системы связи называются системами с расширенным спектром [3]. Одним из основных требований, определяющим качество сигналов с расширенным спектром, является близость нулю боковых лепестков автокорреляционной функции сигнала как в периодическом режиме, так и в апериодическом режиме [4]. Наиболее близкими свойствами к перечисленным обладают М-последовательности. К тому же М-последовательность достаточно легко генерируется. Поэтому, в настоящее время они получили широкое распространение в системах связи. Проблема применения М- последовательностей состоит в том, что их число ограничено и последовательности данного класса имеют фиксированные длины N=2k-1 для любого целого k=2, 3, 4, Поэтому встает проблема поиска последовательностей, корреляционные характеристики которых были близки по критериям качества к соответствующим характеристикам М-последовательностей и имели бы большой спектр периодов (длин), чем М-последовательности. Доказано [3], что псевдослучайных последовательностей, которые обеспечивали бы выполнение требований по равенству нулю боковых лепестков автокорреляционной функции (АКФ) нет, поэтому поиск нетрадиционных последовательностей и исследование их АКФ являются важной задачей, решение которой позволит совершенствовать существующие системы связи. Поиск последовательностей, полученных на основе иррациональных чисел, и исследование их АКФ, показал, что существуют указанные последовательности. В ходе проведенных исследований качества АКФ последовательностей заданной длины N, полученных на основе преобразования сегментов иррациональных чисел в последовательность двоичных символов стало ясно, что наиболее интересные последовательности, с точки зрения качества АКФ, имеют длину 20. Осуществляя поиск последовательностей длиной N=20 с минимальными боковыми пиками периодической АКФ (ПАКФ), были получены последовательности с одинаковыми ПАКФ, имеющими минимальное значение математического ожидания боковых пиков, одной из таких последовательностей является «10011100011111111100».
Введение в прототип новых отличительных признаков - шести элементов НЕ, каждый из которых имеет один вход и один выход, четырех сумматоров по модулю два, каждый из которых имеет два входа и один выход, причем элемент И, имеет десять входов и один выход, а существующий блок триггеров, заменен на блок триггеров, состоящий из десяти триггеров с начальным состоянием «1000111001» объединенных в сдвиговый регистр, и соответствующих связей - позволяет генератору воспроизводить двадцатиразрядную последовательность вида «10011100011111111100».
Достоинством генератора двадцатиразрядной последовательности является возможность получения последовательности вида «10011100011111111100», обладающей корреляционными характеристиками, близкими по критерию качества - равенство нулю боковых лепестков автокорреляционной функции сигнала, фигура 3, как в периодическом режиме, так и в апериодическом режиме - к соответствующим характеристикам М-последовательности, и дальнейшим использовании генератора для создания и совершенствования систем синхронизации существующих и перспективных систем связи.
Литература:
1. Номер патента 2032267, класс патента Н03К 3/84 (аналог).
2. Номер патента 2032268, класс патента Н03К 3/84 (прототип).
3. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985. - 384 с.
4. Семенов A.M. Широкополосная радиосвязь. - М.: Воениздат, 1970. - 191 с.
Генератор двадцатиразрядной последовательности вида «10011100011111111100», содержащий: генератор тактовых импульсов, блок триггеров, сумматор по модулю, элемент И, отличающийся тем, что введены шесть элементов НЕ, каждый из которых имеет один вход и один выход, четыре сумматора по модулю два, каждый из которых имеет два входа и один выход, причем элемент И имеет десять входов и один выход, а существующий блок триггеров заменяем на блок триггеров, состоящий из десяти триггеров с начальным состоянием «1000111001», объединенных в сдвиговый регистр, причем выход элемента И соединен с первыми входами четырех сумматоров по модулю два, выход первого сумматора по модулю два соединен с входом первого триггера регистра сдвига, выход первого регистра сдвига соединен с входом первого элемента НЕ, причем выход первого элемента НЕ соединен с первым входом элемента И, также выход первого триггера соединен с входом второго триггера, выход второго триггера соединен с входом второго элемента НЕ, причем выход второго элемента НЕ соединен со вторым входом элемента И, также выход второго триггера соединен с входом третьего триггера, выход третьего триггера соединен с третьим входом элемента И, также выход третьего триггера соединен со вторым входом второго сумматора по модулю два, выход этого сумматора по модулю два соединен с входом четвертого триггера, выход четвертого триггера соединен с четвертым входом элемента И, а также с пятым триггером, выход пятого триггера соединен с пятым входом элемента И, а также пятый триггер соединен с входом шестого триггера, выход шестого триггера соединен с входом третьего элементом НЕ, выход третьего элемента НЕ соединен с шестым входом элемента И, также выход шестого триггера соединен со входом пятого сумматора по модулю два, а также выход шестого триггера соединен со вторым входом третьего сумматора по модулю два, выход третьего сумматора по модулю два соединен с седьмым триггером, выход седьмого триггера соединен с входом четвертого элемента НЕ, выход четвертого элемента НЕ соединен с седьмым входом элемента И, также седьмой триггер соединен с входом восьмого триггера, выход восьмого триггера соединен с входом пятого элемента НЕ, выход пятого элемента НЕ, соединен с восьмым входом элемента И, также восьмой триггер соединен с входом девятого триггера, выход девятого триггера соединен с входом шестого элемента НЕ, причем выход этого элемента НЕ соединен с девятым входом элемента И, также выход девятого триггера соединен со вторым входом пятого сумматора по модулю два, также выход девятого триггера соединен со вторым входом четвертого сумматора по модуля два, вход четвертого сумматора по модулю два соединен с десятым триггером, выход десятого триггера соединен с входом седьмого элемента НЕ, причем выход этого элемента НЕ соединен с десятым входом элемента И, также выход десятого триггера является выходом генератора.
