УСТРОЙСТВО ВЫЧИСЛЕНИЯ ЗНАЧЕНИЙ АМПЛИТУД СИГНАЛА И ПОМЕХИ

Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в системах радиосвязи.

Известен адаптивный измеритель параметров непрерывных широкополосных сигналов (патент РФ №2349923), в котором осуществляются на первом этапе обнаружение сигнала, грубое оценивание амплитуды сигнала и грубое оценивание частоты сигнала, на втором этапе - подстройка линии задержки, оценивание интервала корреляции, ширины спектра сигнала, уточнение частоты сигнала, на третьем этапе - согласование частотных параметров линейного тракта приемника с частотными параметрами сигнала, в ходе четвертого этапа осуществляется точное оценивание параметров сигнала. Недостатком данного измерителя параметров является узкий класс сигналов, для которых данное устройство работает эффективно, а именно, непрерывных широкополосных сигналов.

Известны комплексные системы с независимыми измерителями, описанные в кн.: Максимов М.В., Бобнев М.П., Кривицкий Б.X. и др. «Защита от радиопомех», изд. «Сов. радио», 1976 г., стр.443-460, в которых осуществляется измерение параметра радиосигнала путем обработки аддитивной смеси сигнала и помехи, при условии, что параметры устройств, входящих в различные каналы измерителя, отвечают определенным условиям, обеспечивающим минимальную дисперсию ошибки измерения. Недостатком данных комплексных систем является использование разных каналов, в которых измеряются различные параметры и действуют различные возмущения, что приводит к недостаточно высокой точности измерения параметра радиосигнала.

Известны устройства оценки амплитуды сигнала, описанные в учебном пособии «Основы теории радиотехнических систем. Учебное пособие. // В.И.Борисов, В.М.Зинчук, А.Е.Лимарев, Н.П.Мухин. / Под ред. В.И.Борисова. Воронежский научно-исследовательский институт связи, 2004., стр.119, 120». Недостатком данных устройств является использование одного канала измерения и, как следствие - недостаточно высокая точность оценки амплитуды сигнала при наличии помех.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство амплитудной компенсации помех, описанное в кн.: Максимов М.В., Бобнев М.П., Кривицкий Б.X. и др. «Защита от радиопомех», изд. «Сов. радио», 1976 г., стр.214-216, принятое за прототип.

Структурная схема устройства-прототипа приведена на фиг.1, где обозначено:

1, 12 - первая и вторая антенны;

2, 13 - первый и второй смесители;

3, 14 - первый и второй усилители промежуточной частоты (УПЧ);

6 - гетеродин;

10, 15 - первый и второй детекторы;

11 - вычитающее устройство.

Устройство-прототип содержит последовательно соединенные первую антенну 1, первый смеситель 2, первый УПЧ 3, первый детектор 10 и вычитающее устройство 11, последовательно соединенные вторую антенну 12, второй смеситель 13, второй УПЧ 14, второй детектор 15, выход которого соединен с вторым входом вычитающего устройства 11, выход которого является выходом устройства, а также гетеродин 6, первый выход которого соединен с вторым входом первого смесителя 2, второй выход гетеродина 6 соединен с вторым входом второго смесителя 13, входы первой антенны 1 и второй антенны 12 соединены и являются входом устройства.

Устройство работает следующим образом.

Компенсация помех достигается в вычитающем устройстве 11 при условии, что напряжения помехи на выходах первого 10 и второго 15 детекторов начинают действовать в одно и то же время и имеют одинаковые длительности и огибающие. Данное требование выполняется при полной идентичности одноименных элементов в основном (первый смеситель 2, первый УПЧ 3, первый детектор 10) и компенсационном (второй смеситель 13, второй УПЧ 14, второй детектор 15) каналах, а первая 1 и вторая 12 антенны должны иметь диаграммы направленности F_o(θ) и F_к(θ), удовлетворяющие равенствам

здесь θ - угол, отсчитываемый от направления максимума диаграммы направленности первой антенны 1;

θ_о - ширина главного лепестка диаграммы направленности второй антенны 12.

Если амплитудно-частотные характеристики W_o(ω) и W_к(ω) линейных частей основного и компенсационного каналов удовлетворяют соотношению

,

где к - коэффициент пропорциональности, а первый 10 и второй 15 детекторы идентичны, то справедливо следующее соотношение для F_к(θ) и F_o(θ):

При выполнении условий (1), (2) осуществляется не только идеальная компенсация помех, действующих по боковым лепесткам диаграммы направленности первой антенны 1, но и отсутствует ослабление сигнала, источник которого располагается в зоне основного лепестка диаграммы направленности первой антенны 1.

Недостатком устройства-прототипа является наличие одного канала, на выходе которого определяется наличие сигнала и измерение его параметров, при необходимости, и соответственно, недостаточно высокая точность измерения параметра радиосигнала при наличии помех в главном лепестке диаграммы направленности антенны основного приемника.

Задача предлагаемого технического решения - повышение помехоустойчивости средств радиосвязи.

Для решения поставленной задачи в устройство вычисления значений амплитуд сигнала и помехи, содержащее последовательно соединенные антенну, смеситель, усилитель промежуточной частоты (УПЧ), а также гетеродин, выход которого соединен со вторым входом смесителя, вход антенны является входом устройства, согласно изобретению введены последовательно соединенные первый блок обработки сигнала, первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и вычислитель значений амплитуды сигнала и помехи, выход которого является выходом устройства, последовательно соединенные второй блок обработки сигнала, второй АЦП, выход которого соединен со вторым входом вычислителя значений амплитуды сигнала и помехи, входы первого и второго блоков обработки сигнала объединены и соединены с выходом УПЧ.

Структурная схема заявляемого устройства приведена на фиг.2, где обозначено:

1 - антенна;

2 - смеситель;

3 - усилитель промежуточной частоты (УПЧ);

4, 8 - первый и второй блоки обработки сигнала;

5,9- первый и второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП);

6 - гетеродин;

7 - вычислитель значений амплитуд сигнала и помехи.

Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные антенну 1, смеситель 2, УПЧ 3, первый блок обработки сигнала 4, первый АЦП 5 и вычислитель значений амплитуд сигнала и помехи 7, выход которого является выходом устройства, а также гетеродин 6, выход которого соединен со вторым входом смесителя 2, последовательно соединенные второй блок обработки сигнала 8 и второй АЦП 9, выход которого соединен со вторым входом вычислителя значений амплитуд сигнала и помехи 7, вход второго блока обработки сигнала 8 соединен с выходом УПЧ 3, вход антенны 1 является входом устройства.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

В радиостанции, принимающей информацию, аддитивная смесь сигнала и помехи с выхода УПЧ 3 поступает на входы первого 4 и второго 8 блоков обработки сигнала. Первый блок обработки сигнала 4 является основным. В нем осуществляется обработка сигнала в соответствии с используемым видом модуляции (манипуляции) сигнала (амплитудная, фазовая и т.д.), а также могут использоваться дополнительные операции, улучшающие отношение сигнал/шум, например накопление сигнала.

Второй блок обработки сигнала 8 является дополнительным (компенсационным). В нем осуществляется обработка сигнала способом, отличным от способа, который используется в блоке обработки сигнала 4. Например, при использовании в качестве модуляции сигнала бинарной фазовой манипуляции и, соответственно, - фазового детектора в качестве первого блока обработки сигнала 4, во втором блоке обработки сигнала 8 может использоваться амплитудное детектирование, или, например, при использовании амплитудной манипуляции сигнала, в качестве первого блока обработки сигнала 4 может использоваться схема накопления сигнала и амплитудный детектор, а в качестве второго блока обработки сигнала 8 - амплитудный детектор и т.д.

Выражения для напряжения на выходах первого 4 и второго 8 блоков обработки сигнала (U₁, U₂) в общем виде могут быть записаны следующим образом

где U_c, U_п - амплитуда сигнала и помехи;

k_1c, k_2c - коэффициенты преобразования сигнала в первом 4 и во втором 8 блоках обработки сигнала;

k_1п, k_2п - коэффициенты преобразования помехи в первом 4 и во втором 8 блоках обработки сигнала.

Система уравнений (3) и (4) является системой линейных уравнений с двумя неизвестными U_c и U_п.

Решая данную систему уравнений, получим выражения для U_c и U_п

Коэффициенты преобразования сигнала в первом 4 и во втором 8 блоках обработки сигнала k_c1, k_c2 могут определяться достаточно точно теоретическим или экспериментальным методом для известных типов сигналов и соответствующих первого 4 и второго 8 блоков обработки сигнала.

Коэффициенты преобразования помехи в первом 4 и во втором 8 блоках обработки сигнала K_п1, K_п2 могут определяться достаточно точно теоретическим или экспериментальным методом для известных типов помех и соответствующих первого 4 и второго 8 блоков обработки сигнала.

Рассмотрим пример реализации заявляемого устройства, когда используется амплитудная манипуляция сигнала, первый блок обработки сигнала 4 представляет собой последовательно соединенные схему накопления и амплитудный детектор, а второй блок обработки сигнала 8 - амплитудный детектор.

Структурная схема устройства (пример реализации) приведена на фиг.3, где обозначено:

4.1 - схема накопления;

4.2, 8.1 - первый и второй амплитудные детекторы;

5, 9- первый и второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП);

7 - вычислитель значений амплитуд сигнала и помехи.

Устройство содержит последовательно соединенные схему накопления 4.1, первый амплитудный детектор 4.2, первый АЦП 5 и вычислитель значений амплитуд сигнала и помехи 7, выход которого является выходом устройства, последовательно соединенные второй амплитудный детектор 8.1 и второй АЦП 9, выход которого соединен со вторым входом вычислителя значений амплитуд сигнала и помехи 7, выход которого является выходом устройства. Входы схемы накопления 4.2 и второго амплитудного детектора 8.1 объединены и подключены к выходу УПЧ 3.

Устройство работает следующим образом.

Помеха представляется как совокупность гармонических колебаний

где U_Pi, ω_Pi, φ_Pi - амплитуда, частота и фаза частотных составляющих помехи;

K - число частотных составляющих помехи.

Причем амплитуда и фаза частотных составляющих помехи являются случайными величинами.

В радиостанции, принимающей информацию, аддитивная смесь сигнала и помехи с выхода приемника поступает на вход схемы накопления 4.1 и второго детектора 8.1.

Если схема накопления 4.1 реагирует на n выходных импульсов, то сигнал U на выходе схемы накопления 4.1 равен (см. кн.: Максимов М.В., Бобнев М.П., Кривицкий Б.Х. и др. «Защита от радиопомех», изд. «Сов. радио», 1976 г., стр.348…349)

где ξ_i - значение функции ξ (t) в момент времени t_i (i=1, 2,…, n), соответствующий фиксации амплитуды i-го импульса;

n - число накапливаемых импульсов.

Напряжения n U_c и характеризуют сигнал и помеху при решении вопроса о наличии сигнала в принимаемой аддитивной смеси сигнала и помехи.

Так как случайные величины ξ₁,ξ₂,…,ξ_n взаимно не коррелированны, то при нулевом математическом ожидании функции ξ(t), которая считается стационарной (в пределах временного интервала, в котором осуществляется измерение), дисперсия помехи определяется следующей формулой:

здесь - дисперсия случайной функции ξ(t).

Квадрат амплитуды сигнала после накопления записывается в виде

Выражение для амплитуды сигнала после накопления целесообразно записать в виде

где k_нc - коэффициент, учитывающий эффективность накопления сигнала.

Значение коэффициента, учитывающего эффективность накопления сигнала, может отличаться от единицы, например, из-за погрешностей в работе системы синхронизации.

Выражение для амплитуды помехи после накопления может быть записано в виде

где k_нп - коэффициент, учитывающий эффективность накопления помехи.

Значение коэффициента, учитывающего эффективность накопления помехи, может отличаться от единицы, например, из-за наличия корреляционной зависимости помехи.

После детектирования в первом амплитудном детекторе 4.2 и преобразования в цифровую форму (двоичный код) в первом АЦП 5 сигнал и помеха поступают на первый вход вычислителя 7, где усредняются

где k_1с, k_1п - коэффициенты, учитывающие операцию детектирования и накопления сигнала и помехи, соответственно;

N_o - число отсчетов, формируемых в АЦП 5, 9 за время приема сигнала;

U_ci, U_pi - амплитуды i-ых отсчетов сигнала и помехи;

n - число накапливаемых сигналов.

Здесь

где k_с, k_п - коэффициенты, учитывающие эффективность накопления сигнала и помехи, соответственно;

k_1д - коэффициент преобразования первого амплитудного детектора 4.2.

При отсутствии накопления (дополнительный канал) сигналы и помеха после детектирования во втором амплитудном детекторе 8.1 и преобразования в цифровую форму (двоичный код) во втором АЦП 9 поступают на второй вход вычислителя 7, где усредняются

Здесь N₂=N_o n.

где k_2д - коэффициент преобразования второго амплитудного детектора 8.1.

При идеальных условиях (сигналы одинаковы, помеха не коррелирована) накопление улучшает отношение мощностей сигнала и помехи в n раз. Конкретное значение отношения амплитуды сигнала к амплитуде помехи на выходе схемы накопления 4.1 зависит от типа ее реализации, например, путем использования сумматора, интегратора, кодовых групп импульсов (см. кн.: Максимов М.В., Бобнев М.П., Кривицкий Б. X. и др. «Защита от радиопомех», изд. «Сов. радио», 1976 г., стр.347…353) или других типов схем накопления.

Напряжение U₁ на выходе первого амплитудного детектора 4.2 пропорционально суммарной амплитуде сигнала и помехи после накопления с учетом соотношения (13) записывается в виде

где U_c - амплитуда сигнала;

U_п - амплитуда помехи.

Здесь

Напряжение U₂ на выходе второго амплитудного детектора 8.1 пропорционально суммарной амплитуде сигнала и помехи без накопления с учетом соотношения 14 записывается в виде

Здесь

Напряжение U₁ с выхода первого амплитудного детектора 4.2, пропорциональное суммарной амплитуде сигнала и помехи после накопления в схеме накопления 4.1, поступает на первый АЦП 5, а после преобразования в нем в цифровую форму поступает на первый вход вычислителя 7, где усредняется, напряжение U₂ с выхода второго амплитудного детектора 8.1, пропорциональное суммарной амплитуде сигнала и помехи без накопления, поступает на вход второго АЦП 9, и после преобразования в нем в цифровую форму поступает на второй вход вычислителя 7, где усредняется. В вычислителе 7 вычисляются значения амплитуд сигнала и помехи по формулам (23), (24) соответственно

Выражения (23), (24) были получены путем решения системы двух линейных уравнений с двумя неизвестными (17), (20).

Расчет значений амплитуд сигнала и помехи в вычислителе 7 осуществляется по следующему алгоритму:

а) Устанавливаются значения исходных данных:

- коэффициентов k_c, k_п, k_1д, k_2д;

- число накапливаемых импульсов (n) и число отсчетов, поступающих за время приема накапливаемых сигналов (N_o).

б) Рассчитываются значения напряжений U₁, U₂ по значениям отсчетов, поступающих с первого АЦП 5 и второго АЦП 9, путем их усреднения с использованием формул (18), (19), (21), (22).

в) С использованием рассчитанных значений напряжений U₁, U₂, значения амплитуд сигнала и помехи рассчитываются по формулам (23), (24), соответственно.

Вычислитель 7 может быть выполнен на базе процессора, например процессора серии TMS320VC5416 фирмы Texas Instruments, с соответствующим программным обеспечением.

Для оценки эффективности предлагаемого устройства проведен расчет уровней сигналов для различных значений параметров.

Методом математического моделирования на ЭВМ с использованием системы MATLAB получены значения следующих коэффициентов и амплитуд для различного числа составляющих помехи (N_п), приведенные в таблице 1: k_2п, k_нп, U_пн.

Коэффициенты, характеризующие отношение средней амплитуды помехи в канале без накопления к амплитуде помехи, и коэффициент, характеризующий эффективность накопления помехи, рассчитывались следующим образом:

где U_пср - среднее значение амплитуды помехи на выходе второго амплитудного детектора 8.1 второго канала (без накопления);

U_п - амплитуда помехи.

Амплитуда помехи рассчитывалась как

где Р_п - мощность помехи.

Мощность помехи рассчитывалась известным способом

где U_pi - амплитуда i-го отсчета помехи.

Коэффициент, характеризующий эффективность накопления помехи, рассчитывался следующим образом:

где U_п1 - напряжение на выходе первого амплитудного детектора 4.2 первого канала при наличии только помехи.

В таблице 1 приведены также значения U_пср, U_п, U_п1.

Анализ данных, приведенных в таблице 1, позволяет сделать вывод, что максимальные отклонения значений коэффициента, характеризующего отношение средней амплитуды помехи в канале без накопления (k_2п) к амплитуде помехи, и коэффициента, характеризующего эффективность накопления помехи (k_1п), от их средних значений составляют 2,3% и 6,7%, соответственно, что позволяет получать достаточно точные оценки амплитуд сигнала и помехи.

Проведен расчет уровней сигналов и помехи по формулам (23), (24) для различных значений коэффициентов, определяющих эффективность накопления сигнала (k_1с) и его усреднения после детектирования (k_2c), для различных значений отношения амплитуд сигнала и шума для следующего амплитудно-манипулированного сигнала:

U_сп1 - передается 1;

U_cп2 - передается 0.

При расчетах использовались средние значения коэффициентов k_2п, k_1п, приведенные в таблице 1.

k_2п=0,88, k_1п=0,45.

Значение коэффициента усреднения сигнала при условии, что сигнал усреднялся после его детектирования (k_2c), принимался равным 0,8 - 1,0 (для сигналов с сильной флюктуацией амплитуды и для нефлюктуирующих сигналов соответственно).

Значение коэффициента накопления сигнала при условии, что сигнал детектировался после его накопления (k_1c), принимался равным 0,7-1,0 (для случая низкой эффективности схемы синхронизации, и для случая высокой эффективности схемы синхронизации соответственно).

Расчеты проводились для различных значений числа составляющих помех (N_п) и для числа накапливаемых импульсов равным 2, поскольку это значение минимально возможное и, соответственно, наихудшее для решения задачи приема сигналов в помехах.

Значения напряжений на выходе 1-го и 2-го каналов (U₁, U₂) рассчитывались методом математического моделирования на ЭВМ с использованием системы MATLAB.

Результаты расчетов приведены в таблице 2.

Анализ данных, приведенных в таблице 2, позволяет сделать вывод, что максимальные отклонения рассчитанных значений сигнала и помехи от их истинных значений составляют (в среднем):

для значений числа составляющих помехи равным 10,

для сигнала - около 20%,

для помехи - около 11%;

для значений числа составляющих помехи равным 30,

для сигнала - около 15%,

для помехи - около 10%;

для значений числа составляющих помехи равным 50,

для сигнала - около 10%,

для помехи - около 10%;

для значений числа составляющих помехи равным 100,

для сигнала - около 8%,

для помехи - около 5,5%.

Точность оценки значений амплитуды сигнала и помехи для значений числа составляющих помехи свыше 30 вполне достаточна для их использования при решении задачи расчета оптимальных значений параметров радиостанций в условиях изменения помеховой обстановки и условий распространения сигнала.

В таблицах 3 и 4 приведено распределение рассчитанных значений амплитуд сигналов для U_сп1=0,72, U_сп2=0,36, соответственно, для различного количества числа составляющих помехи N_п, при этом число реализаций было принято равным 100.

Анализ данных, приведенных в таблицах 3 и 4, позволяет сделать вывод, что в заявляемом устройстве для значений числа, составляющих помехи превышающих 30, правильное решение о принятии сигнала осуществляется в 100% случаев.

Таким образом, в предлагаемом устройстве вычисляются значения амплитуд сигнала и помехи, которые могут использоваться для выбора оптимальных значений таких параметров радиостанций, как мощность передатчика, скорость передачи информации и т.д. в условиях помех.