Адаптивное устройство для приема избыточной информации

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 19) 3(59 С 08 С 19 2 МОМИТЕТ СССНИЙ ИОТНРЫТИ ОСУДАРСТВЕННЫПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕ дение в теодирования. 967, с. 270. ьство СССР28, 1979 Ю М ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ К АВТОРСКОМУ СВИДЕГЕЛЬСТВУ(54)(57) АДАПТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯПРИЕМА ИЗБЫТОЧНОЙ ИНФОРМАЦ, содержацее аналоговый демодулятор, входкоторого соединен с входом устройства, выход - с входом первого блокабуферной памяти, выход первого блока буферной памяти соединен с первым входом блока управления выдачейинформации, первые выходы которогосоединены с первыми входами блокарегистров памяти, первый выход которого соединен с вторым входом блока управления выдачей информации,элемент сравнения, выход которогосоединен с входом регистра сдвига,первым входом декодера и первым входом блока вычитания, выход которогочерез второй блок буферной памятисоединен с первыми входами блокаусилителей, первые выходы которого соедийены 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 блока 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, о т л и ч а ю щ .е е с я тем, что, с целью повышения помехоустойчивости устройства, в негоФе введены третий и четвертый блоки буферной памяти, первый вход третьего блока буферной памяти и вход четвертого блока буферной памяти подключены к выходу аналогового демодулято-.ра, второй вход третьего блока бу- Я ферной .памяти соединен,с вторым выходом блока управления выдачей информации, выход - с первым входом 3 вавй элежнта сравнения и вторыМи входами первого и второго блоков сравнения, выход четвертого блока буферной памяти соединен с вторыми входами элемента сравнения и блока вычитания.МфИзобретение относится к электросвязиг а именно к устройствам прие. ма избыточных сигналов в целом, и может найти, применение в системах передачи дискретной информации, ис пользующих для передачи информации 5 избыточные коды большой длины.Известны устройства для оптимальной обработки составных сигналов с избыточностью, формируемых на основе помехоустойчивых кодов.Известно устройство поэлементного приема, содержащее приемник, пороговый селектор и блок декодирования, в котором осуществляется отождествление входной кодовой комбина ции с ближайшей разрешающей кодовой комбинацией 1 11.Недостаток известного устройства - низкая помехоустойчивость приема.20Наиболее близким,к изобретению по технической сущности является устройство для приема избыточной информации, содержащее аналоговый демодулятор (приемник), вход которого соединен с входом устройства, выход - с входом первого порогового селектора, выход которого соединен со входом декодера, причем выход аналогового демодулятора также соединен с первым входом блока вычитания и через первый блок буферной памяти - с первым входом блока управления выдачей 10 информации, выход и второй вход которого соединен соответственно с первыми входами и первым выходом первого 5блока регистровпамяти, выход первого порогового селектора соединенчерез второй блок регистров памятис первыми входами сумматоров и непосредственно со вторым входом бло ка вычитания, выход которого через второй блок буферной памяти соединен с первыми входами усилителя, первые выходы усилителя через втоРой поРоговый селектоР соединены со 45 вторым входом усилителя, вторые вы" ходы усилителя соединены со вторыми входами сумматора, выход которого через третий пороговый селектор соединен со вторыми входами декодера, выход декодера соединен со вторыми входами первого блока регистровпамяти, второй выход которого соединен с выходом устройства 1 21.Достоинством известного устройства является высокая помехоустойчивость приема составных сигналов с избыточностью (теоретически потенциальная помехоустойчивость приема), 60 в каналах с постояннымй параметраНедостатком известного устройствва является низкая помехоустойчивость приема составных сигналов с избыточностью в каналах с переменны. ми параметрами, что характерно для 65М действующих систем передачи дискретной информации.Действительно, реальные .системыесть системы с переменными параметрами, так как различные дестабилизирующие факторы (иэменение температуры кабелейи усилителей, дрейф нуля в УПТ на усилительных пунктах,взаимные влияния каналов связи, изменение высоты отраженного слоя приионосферной связи и т.д.) приводятк изменению параметров каналов свя-зи. В частности, изменяется отношение сигнал-шум, по величине которого операторы вручную выставляютамплитуды пороговых напряжений, вырабатываемых в источниках пороговыхнаПряжений (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 идентичностиих параметров, а поэтому увеличивается вероятность ошибочного решения,т,е. помехоустойчивость приема ухудшается, что ограничивает применениеизвестного устройства в существующих системах передачи дискретнойинформации.Цель изобретения - повышение помехоустойчивости устройства за счетпоследовательного многопороговогопреобразования аналоговых сигналовв дискретные.Поставленная цель достигаетсятем, что в устройство для приемаизбыточной информации, содержащееаналоговый демодулятор, вход которого соединен с входом устройства,выход - с входом первого блока буферной памяти, выход первого, блокабуферной памяти соединен с первымОвходом блока управления выдачей информации, первые выходы которогосоединенЫ с первыми входами блокарегистров памяти, первый выход которого соединен с вторым входом бло.ка управления выдачей информацииэлемент сравнения, выход которогосоединен с входом регистра сдвига,первым входом декодера и первымвходом блока вычитания, выход которого через второй блок буфернойпамяти соединен с первыми входамиблока усилителей, первые выходы ко-торого соединены с первыми входамипервого блока сравнения, выход первого блока сравнения соединен свторым входом блока усилителей,вторые выходы которого соединены спервыми входами блока сумматоров,второй вход. которого соединен свыходом регистра сдвига, выходы блока сумматоров соединены с первымивходами второго блока сравнения,выходы которого соединены с вторыми5входами декодера, выход которогосоединен с вторым входом. блока регистров памяти, выход которого соединен с выходом устройства, введенытретий и четвертый блоки буферной 10памяти, первый вход третьего блокабуферной памяти и вход четвертогоблока буферной памяти подключены квыходу аналогового демодулятора,второй вход третьего блока буферной 15памяти соединен с вторым выходомблока управления выдачей информации,выход - с первым входом элементасравнения и вторыми входами первогои второго блоков сравнения, выходчетвертого блока буферной памяти соединен с вторыми входами элементасравнения и блока вычитания.Теоретической основой изобретенияявляется следующий Факт.Наилучший или оптимальный уровеньквантования (это и есть амплитудапорогового напряжения) есть тот, который минимизирует вероятность ошибки(или кодовое расстояние между входной и выходной комбинациями декодера). При каком-то значении отношениясигнал-шум 1 величина оптимальногопорогового напряжения пусть будетх 1, , Решение в пороговом селекторепрйнимается по правилу 35если Х 1 Х,й 411 ;, если ХХно 1 .где Х - амплитуда 1-го айалоговогосигнала на выходе аналогового демодулятора (блок 1, 401, и);единичный "двоичный сигнал;2 - нулевой двоичный сигнал;оОчевидно, что можно указать такойсигнал ХЕ среди всех 1 аналоговых 45сигналов, который будучи использованкак пороговый, проводит к такой жедвоичной комбинации 21, что и обработка с порогом Х . Будем считать,что при обработке того же сложногоаналогового сигнала Х = х . величии1 ъна отношения сигнал-шум под действием одной из отмеченных причин изменяется и стает Ь, для которого оп- тимальный порог также изменяется до значения Хи. После преобразования сигнала Х пороговым селектором будет формироваться другая двоичная . комбинация 2. Но, как и в первомслучае, среди всех элементарных аналоговых составляющих сложного сиг нала Х можно указать такой Хр, использовав который в качестве поро. гового получаем комбинацию 2. Применение же в данном случае в качестве пороговых значений других анало говых сигналов приводит к другим двоичным комбинациям.Отличительная особенность оптимального порога (и ему соответствую-. щего аналогового сигнала) заключается в том, что получаемая при.его использовании двоичная комбинация после декодирования преобразовывается в двоичную разрешающую кодовую комбинацию, которая удалена от сигнала Х на минимальное расстояние.Аналогичным образом для определенного отношения сигнал-шум существует оптимальное значение порогового напряжения порогового селектора, совпадающее по результату решения с одним из информационных аналоговых сигналов, если последний использовать 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 Х в двоичную кодовую комбинацию 2 по правилу 2 ., Хг Х= Х14Х-с Х= Хдля 1 = 1, и (т.е. йспользуемый в качестве порогового символ всегда будет нулевым).Далее в качестве порогового выбирают элементарный аналоговый символ (сигнал) Х , правило преобразования преобретает видИ)Хри ХиРо ХС Х =Хпедля 1 = 1, и.При этом на выходе порогового селек. тора получают двоичную комбинацию 2 и т.д.При последнем преобразовании пороговым будет сигнал Х, а правило преобразования Х в 2 будети)2, если Х; Хйн = Хи"1=2 ф, если Х Хп= ХИ,для 1 = 1, ц.Заметим, что после формирования двоичной комбинации 2 она с помощью декодера, преобразуется в разрешенную двоичную кодовую комбинацию 2 , после формирования 2 аналогичным образом ее преобразуют в 2 и т.д. Следовательно, после преобразования 2 н в 2 Р будет сформировано 1 разрешенных кодовых комбинаций. Далее предлагается вычислить расстояние (в той или иной метрике) от каждой.из разрешенных кодовых комбинаций до сигнала Х. Очевидно, что ближайшая к Х комбинация 2 соответствует оптимальнс му порогу и, следовательно, с точ 1012310ки зрения максимального критерияона наилучшим образом соответствуетвходному составному сигналу с избыточностью.После этого полученное значениепорогового напряжения считают эталонным для всего приемника (длявсех его пороговых селекторов) иустройство обрабатывает сигнал Хпо тому же алгоритму, что и известное.Таким образом, избыточность помехоустойчивого кода используетсяв предлагаемом устройстве дважды:первый раз - для определения оптимального порога, а второй - для принятия решения по входному сигналу,что дает возможность обеспечить вканалах с переменными параметрамипомехоустойчивость приема, близкуюк потенциальной помехоустойчивостиоптимального приема в целом - темсамым расширить функциональные возможности предлагаемого устройства.В рассматриваемом случае подфункциональными воэможностями понимается способность устройства выполнять свои функции с заданным качеством. Если же в какой-то ситуации(например в каналах с переменнымипараметрами) качество выполнения некоторой функции (например помехоустойчивости приема) не соответствует заданному значению, а после определенных изменений в устройствеэто соответствие было восстановлено,считается, что данные изменения расширяют функциональные возможности устройства.На чертеже изображена структурная 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 б усилителей, состоящий из и усилителей б б, б с регулируемыми коэффициентами усиления, а также генератора 7 линейно изменяющегося напряжения, выходное напряжениекоторого осуществляет синхронное изменение коэффици-, ента усиления усилителей б - б блок 8 сумматоров, осуществляющий поразрядное суммирование комбинаций сигналов, поступающих на его входы, и состоящий из п одноразрядных сумматоров, например, операционныхусилителей 8, 8, ,8 и, двоичныйрегистр 9 сдвига, в который информация записывается последовательно,а считывается параллельно, первый 5 блок 10 сравнения, который выполненна элементах 11 - 11 сравнения ификсаторе 12 перехода величины порогового напряжения величиной амплитуды сигнала на выходе одного из 10 усилителей б - бд блока б, второйблок 13 сравнения, выраженный наэлементах 141 в 14 сравнения, блок15 регистров памяти, состоящий из идвоичных регистров 16 - 16 , блок17 управления выдачей информации,состоящий из корреляторов 18 - 18 ии детектора 19 максимального сигнала, декодер 20, в котором, каждойпоступающей на его вход двоичной кодовой комбинации ставится в соответствие ближайшая разрешенная двоичнаякодовая комбинация, третий блок 21буферной памяти, выполненный, напри.мер, в виде дискретно-аналоговойлинии задержки. Выход этого блокапотенциальный, т.е. после записивсех аналоговых сигналов х (1=1 и)Уна выходе блока 21 присутствует сигнал ХИ до тех пор, пока не осущест- Зо вится сдвиг информации При сдвигеинформации в блоке 21 сдвигается:вся совокупность аналоговых сигналов вправо, причем считываемый сигнал записывается из последней правой ячейки в первую слева - осуществляется последовательное считываниес регистрацией. После этого дляостальной части устройства порого-вое напряжение определяется аналоговым сигналом, хранящимся в пра вой ячейке блока 21 буферной памяти. 1(ак только осуществится и сдвигов, на блок 21 буферной памяти изблока 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 междусоответствующей разрешенной кодовой 0 комбинацией и сложным аналоговымсигналом, считываемым в блок 17 иэблока 4 буферной памяти. Этот аналоговый сигнал присутствует на выходе блока 21 в течение всего последующего времени обработки аналогового сигнала, хранящегося в блоке22, определяя оптимальный порог вблоках: 10 и 13 и элементе 2.Устройство содержит также четвертый блок 22 буферной памяти. В 60 нем хранится подлежащий преобразованию составной аналоговый сигнал,информация из него считывается после того, как в.выходной ячейке блока 21 установится оптимальный поро говый сигнал. Данный блок иденти10 40 чен блоку 4 буФерной памяти. Блокуправления и синхронизации на чертеже не показан.Адаптивное устройство для приема избыточной информации работаетследУющим образом. 5На вход аналогового демодулято-ра 1 поступает сложный составнойсигнал с избыточностьюз(с) = С я (с) я (с) , я(с)На выходе аналогового демодулятора 1 появляется (последовательно)совокупность аналоговых сигналовХ.= (Х 1 Хд, , ХР 1), соответствующих элементам входного сигнала. . Каждый аналоговый сигнал подается 15на входыблоков 21 и 22 буфернойпамяти, где и запоминается. Такимобразом, в данных блоках памятихранятся аналоговые элементарныесигналы Х(1 = 1, и), образующиесоставной аналоговый сигнал Х.После записи в блоки памяти сигнала Х осуществляется сдвиг аналоговых сигналов (символов) в блоке21 на один такт вправо (с генера-цией). После первого сдвига сложныйаналогбвый сигнал, хранящийся в этомблоке, имеет вид: Х = Хи, Х Хи.Вследствие того, что выход блока21 потенциальный, на втором входеэлемента 2 сравнения присутствуетпороговый сигнал Х= Х , В этотмомент начинают считыванйе сигналаХ из блока .22 буферной памяти. Начальный коэффициент усиления усилителей блока 6 К = О Поэтому считываемый из блока 22 аналоговый сигнал записывается в блок 5, но блока-ми 6-13 не обрабатывается. Он проходит через элемент 2, преобразуясьв двоичную кодовую комбинацию2 и(Ои(и)г ф(Ри)изаписывается в регистр 9, с помощьюдекодера 20 из него формйруют раз- Ч Ррешенную кодовую комбинацию 2 пкоторая запоминается в первом регист. 45 ре 164 блока регистров 15.Далее осуществляют второй сдвиг в блок 21, вследствие чего на еговыходе появляется сигнал Х , определяющий величину порогового напряжения на втором входе схемы сравне 5ния 2, т.е. Хг = Х .2 . Повторяют считывание сигнала Х из блока 22 и преобразование его с помощью эле-. мента 2 в двоичную комбинацию и-а = 2 ,.1 ЕСв г)г записывают в регистр 9 (предварительно.сбросив комбинацию ЕС), преобразуют декодером 20 в двоичную кодовую комбинацию (разрешенную), 2 и-г) которая, записываясь в регистр 15, 60 сдвигает комбинацию Ес 1 во второй регистр 16 г, и т,д. Наконец, йосле Ь сдвигов в блоке 21 пороговый уровень определяется сигналом Х, = Х. ,После считывания из блока 22 сиг нала Х в результате рассмотренныхопераций его преобразуют в разрешенную кодовую комбинацию 2 , котораяРзаписывается, сдвигая уже записанные в регистрах 16, 16 4 комбинации, в первый регистр 16 блока 15регистров (после сдвига в последнем регистре записывается комбинаРция 21, )После этого из первого блока буферной памяти в блок 17 считывается(с регенерацией) сигнал Х, и в этотже блок 17 из блока 15 регистров 16считываются разрешенные комбинации.В корреляторах 18 - 18 н блока 17 вычисляют степень близости сигнала Хк каждой из разрешенных кодовых ком"бинаций (т.е. коэффициенты корреляции). В детектор 19 максимальногосигнала их сравнивают, а по результату сравнения формируют в блок 21управляющий сигнал. По этому управляющему сигналу в блоке 21 элементар-.ные сигналы сдвигают на столько, чтобы в его выходную (правую) ячейкузаписался сигнал ХР, для которогоразрешенная комбинация 2 и являетсяРсамой близкой (коэффициент корреляциидля нее максимальный) к составномуаналоговому сигналу Х. Следовательно,в результате описанных операций наэлемент 2 сравнения, на соответству.ющие входы блоков 10 и 14 сравненияподается пороговое напряжение Х :йи Ъсоответствующее оптимальному порогудля отношения сигнал-шум, котороев этот момент времени постоянйо(т.е. на длительности составногосигнала с избыточностью оно не изменяется),Далее из блока 22 буферной памяти еще раз считывается сигнал Х ис помощью элемента 2 сравнения преобразуется в двоичную кодовую комбинацию (при оптимальном. пороговомнапряжении, задаваемом аналоговымсигналом правой ячейки памяти блока 21) 2, которую записывают в двоичный регистр 8 сдвига, а декодером20 преобразуют в разрешенную двоичную кодовую комбинацию 2 Р, которуюзаписывают в регистр 16 и котораяпосимвольно поступает на второйвход блока 3 вычитания. На первыйвход блока 3 синхронно (с несущественной, учитываемой задержкой припреобразовании в элементе 2 сравнения) подаются символы Х, так, чтона выходе блока 3 появляется (после.довательно) составной аналоговыйразностный сигнал Н = (г , г,г).В результате выполнения операциивычитания в блок 5 буферной памятизаписывается составной сигнал й.Из блока буферной памяти эти,входящие в К, сигналы параллельноподаются на усилители б, 6,бп с регулируемыми коэффициентамиусиления. В это время запускаетсягенератор 7 линейно изменяющегосянапряжения и коэффициент усиленияусилителей б - б блока 6 увеличи 4 )вается. Выходные сигналы усилителейподаются на элементы 11, 1111 сравнения, к другим входам которых подключен источник эталонногопорогового напряжения - последняяячейка памяти блока 14 буферной памяти. Как только в каком-нибудьэлементе сравнения выходной сигналусилителя превышает величину порогового напряжения, то,сразу же егосравнивает фиксатор 12 перехода,и генератор 7 линейно изменяющегося напряжения выключается.Усиленные сигналы с выхода усилителей б - би подаются на входы.соответствующйх одноразрядных сумматоров 8, 8, , 8 где суммируются с величинами сигналов, поступающих на другие входы сумматоров 8 - 8, с ячеек памяти блока 9.Далее результирующие сигналы преобразуются в двоичные сигналы посредством элементов 141, 14, , .14сравнения (источник эталонного порогового напряжения тот же, что и дляэлементов 11 - 11 д блока 10 сравне ния), после чего поступают в деко" дер 20. Сформированная декодером 20разрешенная двоичная кодовая комби"нация, 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 блок 15 был очищен и в него записалась разрешенная двоичная кодовая комбина ция - первая грубая оценка сигнала Х при оптимальном пороговом напряжении. Далее в первый регистр 16 подается комбинация Е", которая сдвигает во второй регистр Комбинацию Е . После этого опять запускается генератор 7 линейно изменяющегося напряжения, осуществляются выше рассмотренные операции, и в регистр 16 записывается следующая разрешенная двоичная комбинация, а ранее записанные комбинации переписываются в регистр 16, 165, и т.д., пока все и регистров не будут заполнены. Далее детектор 19 максимального сигнала считывает из регистров комбинации (с регенерацией) в корреляторы 18 - 18,. надругие входы которых подается составной аналоговый сигнал Х из блока 4 буферной памяти. Величины выходных сигналов корреляторов соответствуют коэффициентам корреляции соответствующих комбинаций. Эти сигналы поступают в детек 5 10 15 20 25 тор максимального сигнала, где определяют максимальный коэффициент корреляции и ему соответствующую разрешенную кодовую комбинацию, кото. рую 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 вели чина 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 буфернойпамяти), что устраняет имеющеесяв известном устройстве влияние разброса характеристик источников порогового напряжения.Положительный эффект от использо.вания предлагаемого изобретения посравнению с базовым объектом заключается в существенном повышении помехоустойчивости и расширении функциональных возможностей адаптивногоустройства для приема избыточной информации. Кроме того, устройство нетребует участия оператора в процессе 40 его эксплуатации, исключает использование специальных устройств дляизмерения характеристик каналовсвязи, т,е. экономически выгоднееприменять это устройство и в системах, параметры каналов связи которых постоянны во времени.Достижение поставленной целиподтверждается Следующим образом.Пусть параметры избыточного ко да, на основе комбинаций которогоформируются составные сигналы с избыточностью, есть - длина кодовойкомбинации и = 8, количество информационных символов К = 3, элементарные сигналы - ортогональные, а отношение сигнал - шум на элементп 1 = 5. Столь короткий код выбран9потому, что с его помощью можно доказать достоверность функционирования нового приемника в соответствии 60 с заданным качеством и в то же время затратить на вычисление доступное машинное время. На ЭЦВИ "МИР"проводят вычисления вероятностиошибочного приема, результаты кото рых, в частности, следующие"Патентф,г;Ужгород,ул.Проектная,Фили Для известного устройства при Ь = 5 и оптимальном пороге Р1 10 9, если отношение сигнал шум при этом же неизменномпороге изменилось и стало 1 Р = 4, тосЭР.оа.= 2 10.Устройство в первом случае обеспечивает Рощ = 1,5. 10 а , но во втором - Рош = 210 Таким образом,: устройство реалиэует потенциальную помехоустойчивость приема в целом не только в ка. налах с постоянными параметрамикак и известное устройство), но 5 и в каналах с переменными параметрами, т.е, класс систем передачи дискретной информации, в которых целесообразно испольэовать предлагаемоеизобретение, шире.1