Система синхронизации псевдослучайной последовательности для анализатора достоверности цифрового потока при быстром изменении фазы биимпульсного и биполярного сигналов

Современные средства связи и управления имеют сложные многоэлементные каналы передачи информации [1]. В процессе производства радиоэлектронной аппаратуры данного профиля встает естественная задача проверки работоспособности и настройки, как отдельных узлов, так и системы передачи информации в целом. Поскольку большинство современных каналов цифровые, решение задачи сводится к передаче и приему тестового цифрового сигнала. Его прохождение через канал связи свидетельствует о работоспособности и качестве всех радиоэлектронных узлов.

Наиболее подходящим тестовым сигналом является псевдослучайная последовательность (ПСП) [2, 3, 4]. Она позволяет проверить цифровой тракт передачи в условиях действия трудно проверяемых неисправностей за счет четкой идентификации и хороших корреляционных свойств. Может быть измерена задержка сигнала, вероятность ошибочной передачи в условиях помех и др. На основе измерения данных параметров производится оценка таких важных характеристик каналов как чувствительность, информационная полоса пропускания, задержка сигнала и др.

Анализатор достоверности цифрового потока (АД) разработанный в секции специального приборостроения студенческого конструкторско-технологического бюро (СКТБ) кафедры радиоэлектронных и телекоммуникационных систем РГАТА, в рамках совместной работы с ОАО «Ярославский радиозавод» предназначен для измерения коэффициента ошибок по элементам в каналах передачи цифровых данных. Принцип работы этого устройства основывается на подсчете количества несовпадений элементов входной импульсной последовательности (ИП), подаваемой на вход канала передачи цифровых данных с элементами выходной ИП, подаваемой на анализатор с выхода канала.

В ходе разработки анализатора были приняты ряд оригинальных технических решений. Наиболее интересным из них является система синхронизации сигналов на входе и выходе тестируемого канала.

Анализатор достоверности имеет следующие технические характеристики:

Типы тестовых последовательностей:

- ПСП, бит (2⁵-1)…(2¹⁷-1);

Количество элементов теста, бит 10³…10⁸;

Скорость передачи, кбит/с 0,05…256;

Типы тестовых сигналов:

- биполярный (NRZ);

- биимпульсный (С1-ФЛ) ГОСТ 26532-85 (рисунок 1);

- RS – 232, RS­ – 485 ГОСТ 23675-79;

- телеграфный ГОСТ 14662-83;

Амплитуда сигналов, В 0.05…11;

Рисунок 1 – Биимпульсный тестовый сигнал

Сигнал тестовой ПСП генерируется анализатором и поступает в исследуемый канал связи. С выхода канала сигнал с определенной задержкой поступает в анализатор. В зависимости от типа сигнала, для сравнения переданной и принятой ПСП требуется индивидуальная система синхронизации. Практически для всех типов сигналов характерен «джиттер» фазы – отклонение среза импульсов от номинального значения. «Джиттер» фазы может быть небольшим, в этом случае, требуется: выделение срезов, стробирование и поиск по задержке при синхронизации опорного генератора ПСП приемника от тактового генератора передатчика. Большой «джиттер» фазы характерен для каналов с относительным кодированием информации, таким как для биимпульсного сигнала. Относительность принципиально не требует стабильности тактовой частоты, поэтому многие каналы имеют разность между тактами на входе и на выходе. Разность может изменяться медленно, тогда опорный генератор ПСП приемника следует тактировать от выделителя срезов импульсов или разность может изменяться быстро, тогда требуется изменить еще и алгоритм декодирования относительности.

Очевидно, что последний случай быстрого изменения фазы биимпульсного сигнала требует построения наиболее сложной и в то же время наиболее универсальной системы синхронизации, которая будет надежно работать и в других случаях (медленные изменения фазы, биполярный сигнал и др.).

Такая система синхронизации (СС) может быть реализована по схеме на рисунке 2. Она была создана для использования в анализаторе достоверности и могла быть реализована как на основе микроконтроллера, так и на основе программируемой интегральной логической схемы (ПЛИС). СС содержит выделитель срезов импульсов, измеритель длительности импульсов и конечный автомат декодирования. Кроме того, требуются пороговые устройства, например, цифровые компараторы, для разделения сигнала на импульсы двух длительностей: длинные и короткие. Пороговые устройства в ручном или автоматическом режиме предварительно настраиваются на принимаемый анализатором сигнал. Конечный автомат работает по принципу декодирования комбинации коротких и длинных интервалов БИ сигнала в информацию, содержащуюся в сигнале. Алгоритм работы конечного автомата следующий:

1. Если первый короткий интервал (после длинного интервала или вообще первый при инициализации приема), ждать следующего интервала;

2. Если интервал длинный, то передавался 0;

3. Если 2 коротких интервала подряд, то передавалась 1;

4. После принятия решения и в начале приема – ожидание короткого или длинного интервала;

5. После каждого принятия решения генерировать тактовый сигнал на опорный генератор ПСП (импульс).

6. Если происходит выход за пределы ограничений короткого или длинного интервала, система переходит в режим ожидания возобновления этих интервалов, при этом, опорный генератор приемника работает с заданной или средней текущей (возможна подстройка) тактовой частотой, что обеспечивает продолжение анализа сигнала при кратковременных и долговременных (длительность ПСП) перерывах.

При биполярном сигнале интервалы изменения знака элементов ПСП ограничены, что дает возможность декодировать временные интервалы в последовательность нулей или единиц. Однако, проблема возникает в случае ПСП с ошибками, которые могут увеличить интервалы знакопостоянства. Поэтому измеритель длительности импульсов должен работать вплоть до периода ПСП.

Второй особенностью, описанной системы синхронизации, является поведение при отсутствии сигнала. В этом случае система фиксирует один знак сигнала на протяжении длительности ПСП или изменение уровня в произвольные моменты времени. Два этих случая учтены в п. 6 алгоритма. По окончании ПСП следует перейти к процедуре поиска сигнала [5].

Рисунок 2 Проект ПЛИС системы синхронизации

Третьей особенностью, описанной системы синхронизации, является размножение ошибок при помехах типа кратковременного нарушения соединения в элементах канала связи. Но эти нарушения тоже можно распознавать по существенно большей или меньшей длительности интервала между изменениями знака.

Особенностью СС или, иначе, ее новизной является устойчивость алгоритма приема к быстрым изменениям фазы, которая достигается за счет измерения иных, нежели в известных алгоритмах [4] параметров сигнала и преобразовании их в логические элементы ПСП. Опорная ПСП приемника генерируется по мере поступления этих логических элементов так, что поиск по задержке осуществляется максимально быстро [5]. Возможны алгоритмы поиска по задержке на основе согласованных фильтров. Такие алгоритмы уменьшают время поиска, но требуют больших аппаратных (программных) затрат и мало пригодны для ПСП с большим периодом (в анализаторе достоверности это 2¹⁵-1 и 2¹⁷-1).

Литература:

1. Маковеева М. Н. Системы связи с подвижными объектами [Текст] / М.Н. Маковеева, Ю.С. Шинаков, – М.: Радио и связь, 2002. – 440 с.

2. Варакин Л. Е. Системы связи с шумоподобными сигналами [Текст] / Л. Е. Варакин, – М.: Радио и связь, 1985. – 384 с.

3. Канаков В.А. Новые технологии измерения в цифровых каналах передачи информации. Учебно-методический материал по программе повышения квалификации «Современные системы мобильной цифровой связи, проблемы помехозащищенности и защиты информации» [Текст] / В.А. Канаков, учебно-методические материалы по программе повышения квалификации «Современные системы мобильной цифровой связи,проблемы помехозащищенности и защиты информации» – Нижний Новгород, ННГУ, 2006, 91 с.

4. Журавлев В. И. Поиск и синхронизация в широкополосных системах [Текст] / В. И. Журавлев, – М.: Радио и связь, 1986. – 240 с.

5. Беляева М. Синхронизация псевдослучайных последовательностей на практике: задача распознавания [Текст] / М. Беляева // Современная электроника. 2010. №9, с. 66 – 71.