Цифровой нелинейный корректор сигнала

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН Н 04 ВЗргнчдвИ3 1 ФТ.пТФЯ ) нт (н ) .,Мч ч 3 МР ПИ ЗОБРЕ ВИДЕТЕЛЬСТВ ВТОРСК и мина иост циФр сыва памя олов элем вход и с п аны ового (28+1 блока, пер -го элемен блока двоич олнительны ен с сигнал ешающего б рового пор ового поро щий выход и запомин данных че нт памяти м управля торым вхо ющег ез д соед мого ом ц ьнымокагоГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ(71) Пензенский политехнический нститут(56) 1. Авторское свидетельство СССР Р 421137, кл, Н 04 В 3/04, 19722. Авторское свидетельство СССР ф 519868 ю кл, Н 04 В 3/04 ю 1974(54)(57) ЦИФРОВОЙ НЕЛИНЕЙНЫЙ КОРРЕК - ТОР СИГНАЛА, содержащий входной аналого-циФровой преобразователь, выход которого соединен с сигнальным входом запоминающего блока двоичных слов данных, состоящего из 2 К+1 пос. - . ледовательно соединенных элементов памяти, считывающие входы которых за исключением +1) -го элемента памяти объединены и подключены к входу первого блока определения знака, выход которого подключен к управляющему входу первого управляемого инвертора и к входу блока автоматической настройки, выход которого соединен с входом запоминающего блока весов отводов, считывающие выходы которых объединены и соединены с инфор мационным входом первого управляемого инвертора, выход которого подключен к первому входу сумматора- накопителя, к второму входу которого подключен считывающий выход (8+1) -го элемента, памяти запоминающего блока двоичных слов данных, причем выход сумматора-накопителя соединен с запн. сывающим входом (К+1)-го элемента памяти запоминающего блока двоичных слов данных и с входом решающего блока, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности коррекции при больших уровнях межсимвольной интерФеренции, в него ввеле,801075423 А йы второй и третий управляемые инверторы, второй блок определениязнака, вычитающий блок, блок определения изменения полярности, сдвигающий регистр знака, сумматор, запоминающий блок сигналов достоверностидополнительный элемент памяти, цифровой пороговый блок, управляемыйрешающий блок и два элемента И, приэтом выход первого управляемого инвертора соединен с вторым блокомопределения знака, выхоц которогочерез сдвигающий регистр знака подключен к управляющему входу второгоуправляемого инвертора,выход сумматора-накопителя соединен с первымивходами блока определения измененияполярности и вычитающего блока, квторому входу вычитающего блока подключен выход решающего блока, выходвычитающего блока соединен с информационным входом второго управляемого инвертора, выход которого сое нен с первым входом сумматора, счи тывающие выходы 28+1 элементов памяти, из которых состоит запоминающий блок сигналов достоверности, объединены и подключены к второму входу сумматора, выход которого соединен с записывающими. входами 2 И+1 элементов памяти запоминающего блока сигналов достоверности, переписывающий выход й-го элемента памяти которого соединен с входом (8+1)-го элемента памяти через третий управляемый инвертор, переписывающий выход (28+1)-го элемента памяти запоющего блока сигналов достовер-, и подключен к первому входу1075423 вого блока, считыВающий выход (И+1) -го элемента памяти запоминающегоблока двоичных слов данных соединенс третьим входом вычитающего блока,первым входом первого элемента Ии вторым входом блока определенияизменения полярности, выход которого соединен с управляющим входомтретьего управляемого инвертора ис вторым входом первого элемента И,1 1Изобретение относится к электросвязи и может использоваться в устройствах преобразования сигналов (модемах), обеспечивающих передачу цифровой информации, 5Известен адаптивный линейный гар". монический корректор, содержащий аналого-цифровой преобразователь входного сигнала, выход которого соединен через запоминающий блок двоичных слов данных с первым входом умно- жителя, при этом второй вход умножителя соединен с выходом запоминающего блока весов отводов, выход умно- жителя подключен к входу накапливающего сумматора, выход которого соединен с входом решающего блока и с входом блока автоматической настройки, выход блока автоматической настройки подключен к входу запоминающего блока весов отводов (1.Недостаток известного корректора невысокая точность коррекции, так как при передаче данных по каналам с большимиамплитудно-фазовыми искажениями помехи от межсимвольной интер ференции бывают настолько велики, что возникают значительные смещения уровня принимаемого сигнала, часто превосходящие выбранный порог разграничения передаваемых сигналов, 30 что в конечном итоге приводит к зна-, чительным уровням остаточных межсимвольных помех на выходе корректора. Наиболее близким по технической 35 сущности к изобретению является цифровой нелинейный корректор сигнала передачи данных, содержащий входной аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с сигнальным 40 входом запоминающего блока двоичных слов данных, состоящего из 28+1последовательно соединенных элементов памяти, считыВающие выходы которых за исключением (И+1) -го элемента 45 памяти объединены и подключены к входу блока определения знака, выход которого соединен с управляющим вховыход которого подключен к первомувходу второго элемента И, к второмувходу которого подключен второй выход блока автоматической настройки,выход второго элемента И соединен спервым входом сумматора, а выходцифрового порогового блока подключенк управляющему входу управляемогорешающего блока, где 8 - количествоотсчетов входного сигнала. 2дом управляемого инвертора и с входом блока автоматической настройки, выход которого соединен с входом запоминающего блока весов отводов, считывающие выходы которого объединены и подключены к информационному входу управляемого инвертора, выход которого подключен к первому, входу, сумматора-накопителя, к второму входу которого подключен считывающий вход (8+1)-го элемента памяти запоминающего блока двоичных слов данных,причем выход сумматора-накопителясоединен с записывающим входом (8+1)го элемента памяти запоминающего блока двоичных слов данных и с входоу решающего блока 2Основной недостаток такого корректора заключается в эффекте размножения ошибок, т.е. если в результате действия межсимвольной интерференции и аддитивного шума произошло изменение полярности символа.дан-,ных, то этот символ, двигаясь по за" поминающему устройству двоичных слов данных, ухудшает откорректированный сигнал на каждом такте коррекции. Этот эффект приводит к недостаточной точности коррекции при больших уровнях межсимвольной интерференции.Цель изобретения - повышение точности коррекции при больших уровнях межсимвольной интерференции.Цель достигается тем, что в цифровой нелинейный корректор сМгнала, содержащий входной аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с сигнальным входом запоминающего блока двоичных слов данных, состоящего из 2 М+1 последовательно сеединенных элементов памяти, считывающие выходы которых за исключением (И+1)-го элемента памяти объе" динены и подключены к входу первого блока определения знака, выход которого подключен к управлянщему входу первого управляемого инвертора и к входу блока автоматической настройки, выход которого соединен с вхо=дом запоминающего блока весов отводов, считывающие выходы которогообъединены и соединены с информационным входом первого управляемого инвертора, выход которого подключен кпервому входу сумматора-накопителя,к второму входу которого подключенсчитывающий выход (И+1)-го элементапамяти запоминающего блока двоичныхслов данных, причем выход сумматоранакопителя соединен с записывающимвходом (И+1)-го элемента памяти за"поминающего блока двоичных. слов данных и с входом решающего блока, вве-дены второй и третий управляемые инверторы, второй блок определениязнака, вычитающий блок, блок определения изменения полярности, сдвигающий регистр знака, сумматор, запоминающий блок сигналов достоверности,р 0дополнительный элемент памяти, цифровой пороговый блок, управляемыйрешающий блок и два элемента И, приэтом выход первого управляемого инвертора соединен с вторым блокомопределения знака, выход которогочерез сдвигающий регистр знака подключен к управляющему входу второгоуправляемого инвертора, выход сумматора-накопителя соединен с первымивходами блока определения измененияполярности и вычитающего блока, квторому входу вычитающего блока подключен выход решающего блока, выходвычитающего блока соединен с информационным входом второго управляемого инвертора, выход которого соединен с первым входом сумматора, считывающие выходы 2 Н+1 элементов памяти, из которых состоит запоминающийблок сигналов достоверности, объедииены и подключены к второму входусумматора, выход которого соединенс записывающими входами 28+1 элементов памяти запоминающего блока сигналов достоверности, переписывающий 45выход Н-го элемента памяти которогосоединен с входом (И+1)-го элементапамяти через третий управляемый инвертор, переписывающий выход (28+1)го элемента памяти запоминающего бло ка сигналов достоверности подключенк первому входу цифрового пороговогоблока, переписывающий выход (28+1)"го элемента памяти запоминающегоблока двоичных слов данных через допЬлнительный элемент памяти соединен,с сигнальным входом управляемого ре-.шающего блока и с вторым входом цифрового порогового блока, считываю-.щий выход (й+1)-го элемента памятизапоминающего блока двоичных слов 60данных соединен с третьим входом вычитакщего блока, с первым входом первого элемента И вторым входом блокаопределения изменения полярности,выход которого соединен с управляю щим входом третьего управляемого инвертора и с вторым входом первогоэлемента И, выход которого подключен к первому входу второго элементаИ, к второму входу которого подключен второй выход блока автоматической настройки, выход второго элемента И соединен с первым входом сумматора, а выход цифрового пороговогоблока подключен к управляющему входууправляемого решающего блока, гдей - количество отсчетов входногосигнала.На чертеже представлена структурная электрическая схема цифровогонелинейного корректора сигнала.Цифровой нелинейный корректорсигнала содержит входйой аналогоцифровой преобразователь (АЦП) 1,запоминающий блок (ЗБ) 2 двоичныхслов данных, состоящий из последовательно соединенных элементов 3 памяти, первый блок 4 определения знака,первый управляемый инвертор 5, блокб автоматической настройки, ЗБ 7весов отводов, второй блок 8 определения знака, сумматор-накопитель 9,блок 10 определения изменения полярности, вычитающий блок 11, первыйэлемент И 12, решающий блок 13, второй управляемый инвертор 14, сдвигающий регистр 15 знака, сумматор16, элементы 17 памяти, входящие всостав ЗБ 18 сигналов достоверности,третий управляемый инвертор 19, дополнительный элемент 20 памяти, цифровой пороговый блок 21, управляемыйрешающий блок 22 и второй элементИ 23,Предложенный цифровой нелинейныйкорректор сигнала работает следующимобразом.С выхода АЦП 1 поступают отсчетывходного сигнала, являющегося супер.позицией полезного сигнала, суммыинтерференционных помех и аддитивного шума М=Я :о о. к кКе 0где (а 1 - последовательность сигналов данных, принятыхиз канала связи;А 1 - последовательность симк).волов, выработанных источником информации;Ь 1 - отсчеты реакции на едик)ничный элемент,и записываются в ЗБ 2 двоичных словданных. Блок б автоматической настройки определяет отсчеты Ь н,Ь +,Ь,Ь,Ь, гребенчатой реакциина единйчный элемент и записывает ихв ЗБ 7 весов отводов.Работу предложенного корректораудобно разделить на две части. Процесс первоначальной коррекции заключается в нелинейной компенсации ин 1075423терференционных помех. Рассмотрим его на примере одного символа. В результате межсимвольной интерференции в канале связи, отстающий на К тактов символ А изменяет символу Ао на величину + В . Знак измененйя опреде ляется знаком А символа (если Эп А= -1, то -В, если з(п А К: 1, то +В ), т,е, ао-Ао + А к О к, поскольку аддитивйый шум - случайная величина с математическим ожиданием, 30 равным нулю, и корректор не изменяет его влияние на достоверность принятых отсчетов. В дальнейшем будем считать, что шум в канале отсутствует. 15В корректоре происходит следующее:. определяется знак отсчетаак, который соответствует символу АК. Предполагая, что в канале связи не произошла ошибка (оо а к соответствУет А ) 20к ф 20 в корректоре на основании знака отсчета происходит операция, обратнаятой, которая имела место в канале связи, т.е. происходит изменение коРРектиРуемого отсчета на величину 5 +Ь . Знак изменения определяется знаком отсчета а к (если з-и ак=1, то -ВК, если 5 п а : -1, то +В ) . Таким образом, если А к совпадает с Зп ак, происходит полная компенсация интерференционной помехи от данного символа ОК О -ХК О К-К -К т К О35где а ок - откорректированный отсчет.Процесс первоначальной коррекциивыполняет часть схемы, в которую входят: ЗБ 2 двоичных слов данных, ЗБ 7 весов отводов, первый блок 4 40 определения знака, первый управляемый инвертор 5, сумматор-накопитель 9, Решающий блок 13. С импульсом тактовой частоты тт происходит сдвиг инФормационной последовательности в 45 ЗБ 2, а также запись очередного отсчета из АЦП 1. Последовательная обработка ведется с частотой Х з, (28+сЧ+2)1 т. С каждым импульсом частоты 1 отсчеты, хранящиеся в ЗБ 2 двоичнйх слов данных, последовательно подаются на блок 4 определения знака. Аналогично, реса отводов из ЗБ 7 весов отводов поступают на информационный вход управляемого инвертора 5, Управляемый инвертор 5 изменяет знак веса отвода, если отсчет, поступающий в блок 4 определения знака, больше нуля, и не изменяет знак веса отвода, если этот отсчет меньше нуля. Таким образом, с выхода управ ляемого инвертора 5 на сумматор-накопитель 9 поступают компенсирующие составляющие -Ь зи акк 4 О . На (И+1)-м такте частоты корректируемый отсчет с элемента памяти 3 + непос- у редственно подается на сумматор-накопитель 9. В конце тактового циклав сумматоре-накопителе накапливаетсявеличинайа =а - ,Е Ь эпаКФОК:-МВ случае, если последовательностьзнаков принятых отсчетов совпадаетс последовательностью переданных сим"волов, происходит полная компенсациямежсимвольной интерференции.Действительно:Мц,:а,-Х Ьза:А+.Е А ЬОк О КО К "ОкоК:-И . й Кд-М-Х Ъ вп а:АКФОКдйВ конце такта последним импульсом частоты Х откорректированныйсигнал а переписывается в элемент3 памятй ЗБ 2. Этим обеспечиваетсято, что в процессе коррекции участ-вуют й опережающих откорректированных, т.е. боЛее достоверных отсчетов.При значительных искажениях,обуславливаемых характеристиками каналасвязи, возрастает вероятность ошибки. Поэтому нарушается соответствиемежду последовательностями зп аи (Ак )и первоначальный этап корреуцйи не обеспечивает требуемойдостоверности,Для повышения помехоустойчивостипри больших искажениях вводится второй этап коррекции. Рассмотрим егона примере одного отсчета, Допустим,из канала связи принимается искажен 1ный отсчет, т. е. Во акщ-Ак, и первый,этап коррекции не выявляет его ошибочность (зО о а,зооак.), ноэтомУискаженный отсчет, участвуя на каждом такте частоты Е в первом этапекоррекции, не приводит к нулю интерференционную помеху от символа, наместе которого он на данном тактенаходится, а увеличивает ее вдвое.Действительно, если5 я а =-А ток кок= О Ок 4"ак=АОАк-Ъ к-ь кэмпаиА гАВеличина помехи откорректированногосигнала равнаео= аЬк- Аь= 2 АК)кгде ео - помеха откорректированногосигнала.Это значит, что помеха откорректированного отсчета на каждом такте совпадает по знаку с компенсирующей составляющей от искаженного отсчета,ЗО П Е:ЗП 2 ЯЬ К=ЭР-ЬкЕР аК) .Это обстоятельство используется для повышения достоверности принятого сигиала; Для каждого отсчета по мере прохождения его по ЗБ 2 двоичных слов данных накапливают помеху следующим образом; если его5 компенсирующая составляющая положи-, тельна - складывают помеху, если отрицательна - вычитают. В этом случае при условии, что отсчет искажен, накхапливается величина, равнаясЬК(, так как компенсирующаяКФОК=.Хсоставляющая совпадает по знаку с помехой. В случае неискаженногоот счета процесс первоначальной коррекции полностью снимает интерференцию от данного отсчета. Следовательно, не существует связи между компенсирующей составляющей и помехой, а 20 накопленная помеха - случайная величина с математическим ожиданием, равным нулю.Накопленное значение помехи в момент выхода отсчета из ЭБ 2 двоич ных слов данных является дополнительным признаком его достоверности. Если по откорректированному зиачению а нельзя сделать решение о полярности отсчета (.ао) меньше ЗО определенного порога С), то решение принимается по накопленной помехе: если накопленная помеха больше порол л га Д, то а к=-Вв ар, где арф - Ре- . шение по откорректированному отсчету, если накопленная помеха меньше .лпорога Д, то а =вда Пороговые величины С и Д определяются исходными фазо-частотными и амплитудно- частотными искажениями, а также уровнем шума в канале. Пороговая величина С, определяющая область сигнала, в которой решение о знаке посылки нельзя принять по знаку отсчета и оно принимается по величине накопленной помехи, выбирается анализа тором качества канала или предварительным Фазовым корректором. Уровень порога Д определяется блоком 6 автоматической настройки и должен бытьхменьшечем . о (к(К -йЕсли в процеосе первого этапа коррекции откорректированный отсчет изменяет полярность (зя а:91 пар) г 5 то накопленную к этому моменту номй" ху необходимо инвертировать и увелиЭ"чить на величину 2 с (ЬК(., Действи-,кх " ц) тельно, если первый этап коррекции исправил ошибку, то накопленная к этому моменту помеха с математическим ожиданием с- (фк(преобразуется вкв-х случайную величину с математическим ожиданием, равным нулю, что соответствует неискаженному отсчету, а если первый этап коррекции исказил полярность отсчета, то накопленная помеха с математическим ожиданием, равным нулю, преобразуется в случайную величину с математическим ожиданием 2 Е (1 ( что соответствует иск:-хкаженному отсчету.По описанному алгоритму работаетчасть схемы, включающая: дополнительный элемент 20 памяти, вычитающий,блок 11, второй блок 8 определения.знака, сдвигающий регистр 15 знака,второй и третий управляемые инверторы 14 и 19, сумматор 16, ЗБ 18 сигналов достоверности, цифровой пороговый .блок 21, управляемый решающийблок 22, блок 10 определения изменения полярности, первый и второй элементы И 12 и 23.С последним импульсом частоты Ев конце каждого такта сигнал с выхода сумматора-накопителя 9 подается на . блок 10 определения изменения полярности и на вычитающий блок 11, В случае, если имелось изменение полярности (з-и а =-5 па ), то на выходе блока 10 появляется высокий уровень, который действует в течение всего последующего такта, также как и двоичное число, соответствующее сигналу ошибки е, на выходе вычитаю- щего блока 11. Компенсирующие составляющие с управляемого инвертора 5 подаются на блок 8 определения знака,с выхода которого с частотой Езнаки компенсирующих составляющих записываются в сдвигающий регистр 15 знака. Таким образом, в конце каждого такта в сдвигающем регистре 15 знака последовательно записаны знаки компенсирующих составляющих, участвовавших в процессе коррекции на предыдущем такте. Управляемый инвертор 14 изменяет знак помехи ер, если на его управляющий вход подается сигнал, соответствующий отрицательному знаку компенсирующей составляющей, транслирует помеху ер, еслина его управляющий вход подается сигнал, соответствующий положительному знаку компенсирующей составляющей, т.е. осуществляет умножениепомехи ер на знак компенсирующей с 6 ставляющей. Кроме помехи, умноженной на знак компенсирующей составляющей, на сумматор 16 с каждым импульсом частоты подается помеха, накопленная на предыдущих тактах и хранящаяся в ЗБ 18 сигналов достоверности, свидетельствующая о достоверности именно того отсчета, знак компенсирунюцей составляющей которого подается с этим импульсом на управляемый инвер 1075423 10тор 14. Результат суммирования записывается по этому же адресу в БЗ 18сигналов достоверности, С импульсомтактовой частоты Е на цифровой пороговый блок 21 подается число изпоследнего элемента 171+1 памятиЗБ 18 сигналов достоверности посредством сдвига всего его содержимого,а также соответствующий ему отсчетиз элемента 20 памяти. В этот же момент времени сдвигается содержимое 10ЗБ 2 двоичных слов данных и содержимое его последнего элемента Зм+1памяти записывается в элемент 20 памяти. С выхода цифрового пороговогоблока 21 снимается сигнал недостоверности знака отсчета в случае совпадения двух условий: отсеет, хранившийся в элементе 20 памяти, поабсолютной величине меньше порога С,помеха, накопленная в последнем элементе 19 гМ+1 памяти ЗБ 18 сигналов достоверйости больше порога Д. Управляемый решающий блок 22 работаетаналогично решающему блоку 13, но при появлении сигнала недостоверности на управляющем входе изменяетполярность решения.Если после первого этапа коррекции знак откорректированного отсчетаизменился (1 фп а о=-зп ао), то в процессе сдвига содержимого ЗБ 18сигналов достоверности число, хранившееся в элементе 17 памяти и соответствующее отсчету ао, проходя через управляемый инвертор 19, изменяет свою полярность за счет управ- З 5 ляющего сигнала, выработанного блоком 10 определения изменения полярности, С (11+1)-м импульсом частотыц следующего такта сигнал с выхода элемента 3+ памяти ЗБ 2 заблокирует 40 передачу помехи на вход сумматора 16 и в то ке время через открытый первый элемент И 12 поступит на первый вход второго элемента И 23. Этот сигнал разрешает подачу на сумматор 16 чис ла, равного 2, из блока 6К:-Мкавтоматической настройки. Таким об-разом, к проинвертированному ранее-4числу прибавляется , ) 1 , чтоК 8 Ксоответствует описанйому ранее алгоритму работы.Иоскольку в укаэанном корректореинформация о знаке принятого символа извлекается не только из знакаоткорректированного отсчета, но также и из хвостов реакции на единичный элемент, то достоверность принятия решения повышается, что подтверждается результатами моделирования,на ЭВМ.По сравнению с базовым объектомпредлагаемое устройство способнообеспечить в 2 - 10 раз меньшую вероятность ошибки восстановленногосигнала при больших уровнях,межсимвольной интерференции (Е критерий06), Различия в количественном выигрыше по вероятности ошибки определяются видом реакции на единичный элемент и уровнем шума. Функциональная зависимость, связывающая эти параметры, пока не установлена. Кроме того, в связи с тем, что в алгоритм работы ьазового оьъекта входит операция умножения, требующая больших аппаратурных затрат и являющаяся наиболее длительной при программной реализации, перевод линейного корректора видеосигнала на универсальные микропроцессоры и микроЭВМ является сложной технической задачей. Нодобный недостаток отсутствует у предлагаемого устройстваТаким образом, предлагаемое устройство обеспечивает более высокую точность коррекции, что позволяет использовать устройство преобразования сигналов на каналах связи с худшими частотными характеристиками и большим числом переприемных участ" ков. Кроме того, реализация предлагаемого устройства на микроЭВМ и микропроцессорах значительно проще, что приводит к увеличению надежности функционирования.1075423 Составитель А. Сеселкинктор В. Данко Техред М,Кузьма Корра В Гирн аказ 518/5 филнд.я пн 11 Патентф, г. Ужгород, ул. Проектная Тираж 635 ВНИИПИ государств по делам изобр 13 н 35, Москва, Ж, Подписнного комитета СССений и открытийаушская наб., д.