7.5. Метод та засоби регенеруванняk-значних цифрових послiдовностей

У новітніх обчислювальних системах пошук, розпізнавання та відновлення сигналів реалізується методами фільтрування і характеризується значними апаратними затратами. Тривають пошуки шляхів побудови цифрових пристроїв, що відновлюють і виділяють сигнали на фоні шуму з меншими, порівняно з узгодженими фільтрами, апаратними затратами й реалізовані методами твердотілої інтегральної технології. Проте цифрові пристрої теж відзначаються значною складністю, неоднорідністю та різнотипністю структурних рішень [12-15, 47-49, 53-55, 71-74, 90-104, 114-119].

Нижче описано суттєво новий та ефективний алгоритм [190] регенерування біполярних цифрових послідовностей. Цей алгоритм базується на двократних однотипних перетвореннях позитивних і негативних півхвиль відновлюваного сигналу з використанням процедур їх випрямлення, додавання, виділення постійної складової й віднімання з вхідної послідовності сигналу, отриманого в результаті перетворень. Наведену послідовність перетворень розглянемо на прикладі, коли сигнал задано бінарною (біполярною) послідовністю (рис. 7.9), у якій символ одиниці передається значенням +Е, а символ нуля – значенням -Е, тривалості півхвиль сигналу рівні чи кратні між собою.

Рис. 7.9. Часова діаграма алгоритму регенерації біполярних цифрових послідовностей

Спектр послідовності великого числа двозначних сигналів буде суцільним, а миттєвий спектр матиме характер, що відповідає поодинокому імпульсному сигналу. Розділивши біполярний сигнал на дві послідовності (див. рис. 7.9б, 7.5.1в), можна записати миттєвий спектр кожного символу одиниці як А₁ + G₁(), а символу нуля – А₀+G₀(), де А₀, А₁ – постійні складові нуля та одиниці, відповідно. Вважаючи, що G₁() = G₀() та якщо символи нуля інвертувати й додати до одиничних, отримаємо постійну складову:

А = А₁ + G₁() – [–А₀ + G₀()] = А₀ + А₁.

З іншого боку, якщо сигнал зобразити як адитивну суміш сигналу зі шумом, що має гаусівський розподіл миттєвих амплітуд та рівномірний у смузі частот енергетичний спектр, то послідовність біполярного сигналу можна зобразити як

u_вx(t) = u_с(t) + u_ш(t), (7.10)

де u_вx(t) – суміш корисного сигналу з шумом; u_с(t) – корисний сигнал; u_ш(t) –шумова складова сигналу.

Далі, оскільки сигнал має цифрову форму, то

u_с(t) = u₁(t) + u₀(t), (7.11)

u_ш(t) = u_ш1(t) + u_ш0(t), (7.12)

де u₁(t), u₀(t) – одинична та нульова складові біполярного сигналу; u_ш1(t), u_ш0(t) – шумові складові, що належать інтервалам символів одиниці і нуля, відповідно, звідки, враховуючи вирази (7.10)–(7.12), отримаємо:

u_вx(t) = u₁(t) + u₀(t) u₀(t) + u_ш1(t) + u_ш0(t). (7.13)

Після інверсії нульової послідовності отримуємо вираз для результуючого сигналу:

,

де u(t) –сигнал після інвертування на першому етапі алгоритму й складання з неінвертованою частиною сигналу; ,-інвертована нульова півхвиля сигналу та її шумова складова, відповідно.

Виключивши постійну складову перепишемо останній вираз як

. (7.14)

У результаті отримано сигнал, що є шумом. Проте цей шум не ідентичний вхідному, що надходить із послідовним сигналом. Він тільки частково збігається з ним. На інтервалі нульового символу шумова складова перебуває в протифазі, а для символу одиниці вона синфазна.

Додавши тепер вирази (7.13) та (7.14) з урахуванням інверсії, усунемо із u_вx(t) нульову шумову складову:

u_вx(t) = u₁(t) + u₀(t) + 2u_ш1(t), (7.15)

де u_вx(t) – сигнал на вході другого каскаду регенерування першого комплексу (КІ).

Структурну схему одного комплексу регенератора показано на рис. 7.10, де І₀ і І₁ – інвертори нульової та одиничної півхвиль сигналу, а  – підсумовувач-віднімач, що здійснює безінерційне додавання інвертованої і прямої хвиль (див. рис. 7.9г), а також виділення постійної складової, що проявляється в результаті додавання та компенсації частини шумової складової.

Рис. 7.10. Структурна схема поодинокого комплексу регенератора

Якщо здійснити інвертування у виразі (7.15) одиничної півхвилі та зробити перетворення, аналогічні до тих, що описані виразами (7.13)–(7.15), отримаємо:

u_вx(t) = 2u_ш1(t). (7.16)

Додавши тепер (7.15) та (7.16) аналогічно попередньому перетворенню, маємо:

u_вих(t) = u₁(t) + u₀(t). (7.17)

Таким чином, у результаті описаних математичних операцій над сигналом одержано прості та легко реалізовувані структуру (рис. 7.11) й алгоритм регенерування біполярних цифрових послідовностей.

Рис. 7.11. Структурна схема регенератора

Приклад схемної реалізації інвертора й підсумовувача-віднімача проілюстровано на рис. 7.12. Ця схема здійснює перетворення (7.13)–(7.15) над нульовою півхвилею вхідного сигналу. Вхідний сигнал надходить на подвійний емітерний повторювач Т₇, Т₈. Застосування однотранзисторних емітерних повторювачів при їх каскадному включенні в регенераторі веде до збудження схеми на інфранизьких частотах. Крім цього, застосування подвійного повторювача дозволяє зменшити вихідний опір для двополярного сигналу. Сигнал через емітерний повторювач надходить у бази транзисторів Т₄, Т₅. Нульова півхвиля цифрової послідовності (див. рис. 7.9в) інвертується транзистором Т₄, а позитивна – проходить у колектори транзисторів Т₅, Т₆. Для компенсації зменшення амплітуди сигналу на базових переходах транзисторів Т₅, Т₆ у схему уведено підналагоджувальний резистор R₉ так, що коефіцієнт передачі транзистора Т₅ більший ніж одиниця. У підсумку в колекторі транзистора Т₄ формується сигнал, що складається з постійної складової і шумової складової.

Рис. 7.12. Принципова електрична схема каскаду регенератора

Форму сигналу в колекторі Т₄ показано на діаграмі (див. рис. 7.9б). Якщо схема незбалансована, то в колекторі Т₄ створюється ступінчастий сигнал. Компенсується цей дисбаланс резистором R₉. Далі сигнал (див. рис. 7.9б) надходить у бази транзисторів Т₁, Т₂, причому в колекторі Т₂ відбувається додавання сигналів, а в колекторі Т₁ виділяється постійна складова, що надходить у базу транзистора Т₃. Постійна складова віднімається з колекторного сигналу Т₂ і на вихід каскаду 1 надходить сигнал u_вx(t). Таким чином, схема (див. рис. 7.10) виконала тільки першу частину задачі відповідно до виразів (7.13)–(7.15).

Для відновлення нульової півхвилі необхідний ще один каскад КІІ, що реалізує другий етап алгоритму відповідно до виразів (7.16), (7.17). Принципова електрична схема його аналогічна за структурою та зв’язками до першої, проте зі зміною (інверсією) усіх транзисторів на протилежну провідність (на, і – навпаки) та зі зміною полярності джерел живлення на протилежну. Вхідним сигналом для цієї схеми служить вихідний сигнал першого каскаду КІ (див. рис. 7.11). У результаті на виході комплексу КІІ отримуємо регенерований цифровий сигнал.

Слід зауважити, що алгоритм регенерування реалізується повною мірою тільки в разі, коли безінерційно здійснюється операція інверсії півхвиль. У реальних умовах інвертування здійснюється елементом з одиничним коефіцієнтом підсилення сигналу і порогом відкриття на нульовому рівні. У такому разі виникає помилка перетворення за рахунок амплітудних викидів шумової складової, що перевищують амплітудне значення символу. Це призводить до виникнення хибних сигналів протилежної полярності. Змінюють полярність ті імпульсні завади, що перебувають у площині інвертованої півхвилі. Якщо ж імпульсна завада діє в бік збільшення амплітуди символу, реалізовані перетворення повністю її компенсують.

Приклади регенерування символів цифрової послідовності, реалізованих схемою при різних рівнях завад, зокрема для випадку, коли амплітуда синусоподібної завади, що діє на цифрову послідовність, дорівнює половині амплітуди символу; під час дії синусоїдної завади з амплітудою, що дорівнює амплітуді корисного сигналу, та для сигналу зі синусоїдною шумовою складовою з амплітудою, що дорівнює подвійній амплітуді символу повідомлення, – детально описано і проаналізовано в [190].

Розглянутий алгоритм і пристрій регенерування біполярних цифрових послідовностей відрізняється простотою реалізації та дозволяє в 2...3 рази підвищити завадостійкість каналів передавання цифрових даних.