Способ компенсации ограниченной по полосе частот помехи путем аппроксимации значений ее амплитуды

Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в средствах связи.

Известны способы, которые реализуются устройствами подавления широкополосных помех, описанные в патентах: RU 2115234 С1, 10.07.1998; RU 2143783 С1, 29.06.1999; RU 2190297 С2, 19.07.2000, недостатком которых является невысокая степень подавления помех.

Известны способы, которые реализуются устройствами подавления узкополосных помех, описанными в а.с. №1688416 Н04В 1/10, а также в патентах РФ №2034403 Н04В 1/10, №2204203 Н04В 1/10, недостатком которых является невысокая степень подавления помех.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является способ выделения сигнала в условиях воздействия помех путем компенсации помехи за счет аппроксимации значения ее амплитуды, описанный в патенте RU №2608553 Н04В 1/10, принятый за прототип.

Способ-прототип заключается в следующем.

Формируется сигнал методом амплитудной, частотной или фазовой манипуляции и передается на фиксированной или соответствующей рабочей частоте, если используется перестройка рабочей частоты.

На начальном этапе осуществляется синхронизация сигнала, например, путем обработки используемой кодовой последовательности, причем синхронизация осуществляется в начале передачи, если перестройка рабочей частоты не используется, и при каждом скачке частоты, если перестройка рабочей частоты используется.

Сигналы передаются с паузой в начале передачи и между сигналами, длительность которой определяется исходя из используемого способа аппроксимации помехи и инерционности полосового фильтра. Аддитивную смесь сигнала и помехи фильтруют полосовым фильтром, полученную смесь сигнала и помехи усиливают в усилителе и формируют в цифровом виде отсчеты смеси сигнала и помехи. Первые (N-1) отсчеты берутся, когда сигнал отсутствует, через время, равное периоду изменения сигнала, причем отсчеты берутся в моменты, когда значения амплитуды сигнала, если бы он в данные моменты существовал, принимали бы максимальное или минимальное значение, число отсчетов при этом определяется исходя из используемого способа аппроксимации. Последний отсчет (N) берется через определенное заранее число периодов, в которых присутствует сигнал, выбираемое исходя из условия обеспечения максимальной эффективности, в момент времени, когда амплитуда сигнала принимает максимальное или минимальное значение.

С применением используемого метода аппроксимации рассчитывается значение амплитуды помехи в момент времени, когда берется отсчет, в котором присутствует сигнал, рассчитанное значение амплитуды помехи вычитается из значения амплитуды последнего отсчета, полученное значение сравнивается с соответствующими порогами, и по результатам сравнения делается вывод о наличии сигнала какого-либо типа.

Недостатком данного способа является недостаточно высокая эффективность выделения сигнала в условиях воздействия узкополосных помех при превышении значения полосы сигнала относительно значения несущей частоты 10%, а также широкополосных помех.

Задача предлагаемого способа - повышение эффективности выделения сигнала в условиях воздействия как узкополосных, так и широкополосных, ограниченных по полосе частот помех (в дальнейшем по тексту - помех), путем компенсации помехи методом аппроксимации значений ее амплитуды.

Для решения поставленной задачи в способе, заключающемся в том, что формируют сигнал методом амплитудной, частотной или фазовой манипуляции и передают на фиксированной или какой-либо рабочей частоте, если используют перестройку частоты, осуществляют синхронизацию сигнала в начале передачи и при каждом скачке рабочей частоты, если используют перестройку частоты, информацию передают в виде информационных символов с паузой в начале передачи, каждый символ содержит временной интервал, в котором сигнал отсутствует (пауза), и временной интервал, в котором присутствует аддитивная смесь помехи и сигнала, помеху или смесь сигнала и помехи фильтруют полосовым фильтром, усиливают в усилителе и формируют в цифровом виде отсчеты помехи или смеси сигнала и помехи, согласно изобретению, четыре отсчета помехи берут в течение временного интервала, в котором сигнал отсутствует, длительность данного интервала не превышает значения периода, соответствующего частоте сигнала, N отсчетов берут в течение временного интервала, в котором присутствуют сигнал и помеха, (4+N) отсчетов берут через одинаковые временные интервалы, время взятия первого отсчета определяют из условия, что вероятность присутствия сигнала в момент взятия пятого отсчета превышает заданный уровень; рассчитывают методом линейной аппроксимации с использованием первого и второго значений отсчетов помехи оценку значения третьего отсчета и ошибку оценки третьего отсчета; рассчитывают методом линейной аппроксимации с использованием второго и третьего значений отсчетов помехи значение четвертого отсчета помехи и ошибку оценки четвертого отсчета помехи; для каждого последующего момента времени, в котором берут отсчеты, начиная с пятого, осуществляют расчет значения амплитуды помехи как суммы значения амплитуды помехи и ошибки оценки значений амплитуды помехи, рассчитанных методом линейной аппроксимации; значение амплитуды сигнала рассчитывают для N-го отсчета как разность амплитуды смеси сигнала и помехи и рассчитанного значения амплитуды помехи.

Предлагаемый способ заключается в следующем.

На этапе вхождения в связь осуществляют синхронизацию сигнала, любым известным методом, например путем обработки используемой кодовой последовательности, причем синхронизацию осуществляют в начале передачи, если перестройка рабочей частоты не используется, и при каждом скачке частоты, если перестройка рабочей частоты используется.

Дальнейшее описание способа осуществляется для случая использования фазовой манипуляции.

Используются противоположные сигналы - радиоимпульсы с начальными фазами 0 (первого типа) и π (второго типа), на фиксированной или соответствующей рабочей частоте, если используется перестройка рабочей частоты.

Передачу информации осуществляют информационными символами. Каждый информационный символ содержит временной интервал, в котором сигнал отсутствует (пауза), и временной интервал, в котором присутствует сигнал и помеха. Длительность сигнала, а также длительность паузы составляют один период сигнала, соответствующий частоте сигнала.

В каждом временном интервале, в котором сигнал отсутствует, формируют в цифровом виде через одинаковые временные интервалы четыре отсчета помехи. Длительность данного интервала не превышает значения периода, соответствующего частоте сигнала. В течение временного интервала, в котором присутствуют сигнал и помеха, формируют N отсчетов смеси сигнала и помехи.

Значение частоты взятия отсчетов (F_o) определяется на этапе разработки экспериментальным путем и/или методом математического моделирования, как значение, обеспечивающее максимальный уровень компенсации помехи (помехоустойчивости).

Время взятия первого отсчета помехи определяют как момент, обеспечивающий в момент взятия пятого отсчета присутствие сигнала с вероятностью, значение которой превышает заданный уровень. Это значение времени рассчитывают на этапе разработки средства связи экспериментальным путем или методом математического моделирования, как значение, обеспечивающее максимальный уровень компенсации помех.

Число отсчетов - N, которые берут в течение временного интервала, в котором сигнал присутствует, определяют на этапе разработки экспериментальным путем и/или методом математического моделирования как число, обеспечивающее максимальный уровень помехоустойчивости.

С использованием двух первых значений отсчетов помехи рассчитывают методом линейной аппроксимации оценку значения третьего отсчета помехи, с использованием значений второго и третьего отсчетов помехи рассчитывают методом линейной аппроксимации оценку значения четвертого отсчета помехи по формуле (см. фиг. 1)

где U_п(i) - оценка амплитуды помехи в i-й момент времени, i принимает значение 3 и 4.

U_п(i-1), U_п(i-2) - измеренные значения амплитуды помехи в (i-1)-й и (i-2)-й моменты времени, соответственно, i принимает значение 3 и 4.

Рассчитывают соответствующие ошибки оценки третьего и четвертого отсчетов помехи по формуле

где: U_o(i) - значение ошибки оценки амплитуды помехи в i-й момент времени;

U_пи(i) - измеренное (истинное) значение амплитуды помехи в i-й момент времени;

U_п(i) - оценка амплитуды помехи в i-й момент времени.

Здесь i принимает значение 3 и 4.

Для каждого последующего момента взятия отсчетов, начиная с пятого, осуществляют расчет ошибки оценки значения амплитуды помехи методом линейной аппроксимации по формуле

После чего рассчитывают значение амплитуды помехи как сумму значения амплитуды помехи, рассчитанного методом линейной аппроксимации, и рассчитанной ошибки оценки значений амплитуды помехи

Рассчитывают значения амплитуды сигнала в N-й момент времени как разность амплитуды смеси сигнала и помехи и рассчитанного значения амплитуды помехи

где U_спс(N) - отсчет смеси помехи и сигнала в N-й момент времени;

U_п(N) - рассчитанное значение амплитуды помехи в N-й момент времени.

Решение о наличии сигнала первого или второго типа принимается:

- для случая использования амплитудной манипуляции - по результату сравнения полученного значения амплитуды сигнала с соответствующими порогами;

- для случая использования частотной манипуляции - по результату сравнения полученного значения амплитуды сигнала с порогом в каждом частотном канале;

- для случая использования фазовой манипуляции - по результату сравнения полученного значения амплитуды сигнала с нулем.

Ниже приведены результаты моделирования процесса обнаружения сигнала первого или второго типа для случая использования линейной аппроксимации амплитуды помехи и ошибок оценки ее значения для случая использования бинарной фазовой манипуляции (BPSK), когда используются сигналы:

Sin х (фаза - 0) - передается 1;

-Sin х (фаза - π) - передается 0.

Помеха при моделировании представлена в виде совокупности гармонических колебаний со случайными значениями амплитуд (U_pi) и фаз (ϕ_pi), которые распределены по нормальному (амплитуды) и равномерному (фазы) законам (см., например, учебное пособие «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. 51)

где: ω_pi - частота i-ой составляющей помехи;

ϕ_pi - фаза i-ой составляющей помехи;

U_pi - амплитуда i-ой составляющей помехи;

Nsp - число гармонических составляющих помехи, используемых для ее представления (аппроксимации).

Частоты составляющих помехи моделировались как случайные величины, значения которых распределены по равномерному закону в полосе сигнала.

Результаты оценки эффективности предлагаемого способа получены методом математического моделирования на ЭВМ с использованием системы MATLAB.

В таблице 1 представлены результаты моделирования процесса принятия решения о наличии сигнала первого типа (Sin х) или второго типа (-Sin х) для различного числа составляющих помехи при наличии узкополосной помехи для способа-прототипа и предлагаемого способа.

При моделировании использовались следующие исходные данные:

- отношение мощностей помехи и сигнала - 10.

- число реализаций - 10³.

При моделировании узкополосной помехи считалось, что время существования каждой составляющей помехи значительно превышает значение периода сигнала.

В таблице 1 использованы следующие обозначения:

N_sp - число составляющих помех;

ΔF_S/F_ls - отношение ширины полосы сигнала к значению нижней частоты полосы сигнала;

Анализ данных, приведенных в таблице 1, позволяет сделать вывод, что эффективность предлагаемого способа по показателю «значение ошибки оценки амплитуды помехи» превышает эффективность способа-прототипа от 7 до 60 раз, в зависимости от числа частотных составляющих помехи и отношения ширины полосы сигнала к значению нижней частоты полосы сигнала.

В таблице 2 представлены результаты моделирования процесса принятия решения о наличии сигнала первого типа (Sin х) или второго типа (-Sin х) для различного значения отношения ширины полосы сигнала к значению верхней частоты полосы сигнала для способа-прототипа и для заявляемого способа в условиях воздействия широкополосной помехи типа аддитивного белого Гауссовского шума (АБГШ).

В таблице использованы следующие обозначения:

F_шсп - ширина полосы сигнала;

F_в - значение верхней частоты полосы сигнала;

Q_пре - значение отношения мощностей помехи и сигнала, при котором число ошибок составляет 1 на 1000 реализаций для предлагаемого способа;

Q_про - значение отношения мощностей помехи и сигнала, при котором число ошибок составляет 1 на 1000 реализаций для способа-прототипа;

Q_пре/Q_про - отношение мощностей помехи и сигнала, при котором число ошибок составляет 1 на 1000 реализаций, как для предлагаемого способа, так и для способа-прототипа.

При моделировании использовались следующие исходные данные:

- число реализаций - 10³;

- число ошибок на одну тысячу реализаций - 1;

- число составляющих помех - 1000;

- число отсчетов за период - 10.

Моделирование прохождения сигнала через полосовой фильтр осуществлялось с использованием процедуры MATLAB «firls» - нерекурсивный полосовой фильтр.

В таблице 3 приведены относительное значение сигнала от его максимального уровня (Uco) (в точках, в которых значения сигнала максимальны) на выходе фильтра, полученные с использованием процедуры MATLAB «firls».

При моделировании широкополосной помехи, прошедшей полосовой фильтр считалось:

- значения частоты помехи являются случайными величинами, которые распределены по равномерному закону в полосе сигнала;

- время возникновения составляющих помехи распределено по равномерному закону во временном окне, положение которого изменяется во времени, длительность временного окна - переменная и составляет от двух до десяти периодов изменения сигнала;

- длительность существования составляющих помехи распределено по равномерному закону в интервале, длительность которого изменяется, и составляет от одного до десяти периодов изменения сигнала;

- значение амплитуды помехи на выходе полосового фильтра рассчитывают с использованием данных, приведенных в таблице 3, с учетом значений времени возникновения составляющих помехи, длительности существования составляющих помехи.

Анализ данных, приведенных в таблице 2, позволяет сделать вывод, что эффективность предлагаемого способа по показателю «отношение мощностей помехи и сигнала» превышает эффективность способа-прототипа более чем в 5 раз, в зависимости от значения отношения ширины полосы сигнала к значению верхней частоты полосы сигнала.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, приведена на фиг. 2, где обозначено:

1 - антенна;

2 - усилитель высокой частоты (УВЧ);

3 - смеситель;

4 - полосовой фильтр промежуточной частоты (ПЧ);

5 - усилитель промежуточной частоты (УПЧ);

6 - гетеродин;

7 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

8 - вычислительное устройство (ВУ);

9 - блок управления (БУ).

Устройство содержит последовательно соединенные антенну 1, УВЧ 2, смеситель 3, полосовой фильтр 4, УПЧ 5, АЦП 7, ВУ 8, первый выход которого является выходом устройства. Кроме того, содержит гетеродин 6, выход которого соединен со вторым входом смесителя 3, БУ 9, вход которого соединен со вторым выходом ВУ 8, выход УУ 9 соединен с управляющим входом АЦП 7, при этом вход антенны 1 является входом устройства.

Предварительно на начальном этапе осуществляется синхронизация сигнала, например, путем обработки используемой кодовой последовательности в ВУ 8. По результатам обработки в ВУ 8 определяется момент прихода сигнала, по его значению вычисляются моменты взятия отсчетов (формулы (1), (4)), и формируются управляющие сигналы, которые поступают на управляющий вход АЦП 7.

На передающей стороне формируются сигналы способом бинарной фазовой манипуляции (BPSK).

Передача информации осуществляется информационными символами. Каждый информационный символ содержит временной интервал, в котором сигнал отсутствует (пауза), и временной интервал, в котором присутствует сигнал первого или второго типа и помеха.

Значения длительности сигнала, и длительности паузы составляют один период изменения сигнала.

Помеха или смесь сигнала и помехи с антенны 1 через УВЧ 2 поступает в смеситель 3, где осуществляется понижение или повышение значения частоты сигнала до значения промежуточной частоты. Полученную помеху или смесь сигнала и помехи фильтруют полосовым фильтром 4, затем усиливают в УПЧ 5. Усиленный в УПЧ 5 сигнал поступает в АЦП 7, где в моменты, определенные в вычислительном устройстве 8, формируются в цифровом виде через одинаковые временные интервалы четыре отсчета помехи во время паузы, и N отсчетов смеси сигнала и помехи, в течение временного интервала, в котором присутствуют сигнал и помеха.

Четвертый отсчет помехи берут в момент времени, когда сигнал отсутствует с вероятностью, значение которой превышает заданный уровень. Это значение времени рассчитывается на этапе разработки средства связи экспериментальным путем или методом математического моделирования как значение, обеспечивающее максимальный уровень помехоустойчивости.

Значения амплитуд отсчетов в цифровом виде поступают в вычислительное устройство 8, где осуществляется оценка амплитуды сигнала по вышеописанному алгоритму.

Результаты моделирования процесса принятия решения о наличии сигнала первого (Sin х) или второго (-Sin х) типа для различного числа частотных составляющих помехи приведены в таблице 1 для случая наличия узкополосной помехи, и в таблице 2 для случая наличия помехи типа АБГШ.

Вычислительное устройство 8 и блок управления 9 могут быть выполнены, например, на микросхеме TMS320VC5416 фирмы Texas Instruments (США).

АЦП 7 может быть выполнен, например, на микросхеме AD7495BR фирмы Analog Devices.

Таким образом, заявляемый способ выделения сигнала в условиях воздействия как узкополосных, так и широкополосных помех типа АБГШ путем компенсации помехи за счет линейной аппроксимации значения ее амплитуды и ошибки оценки значения амплитуды помехи, может быть реализован описанным устройством.

Эффективность выделения сигнала в условиях воздействия узкополосных и широкополосного помех типа АБГШ устройством, реализующим предлагаемый способ, следующая:

- при воздействии узкополосных помех эффективность предлагаемого способа по показателю «значение ошибки оценки амплитуды помехи» превышает эффективность способа-прототипа от 7 до 60 раз, в зависимости от числа частотных составляющих помехи и отношения ширины полосы сигнала к значению нижней частоты полосы сигнала;

- при воздействии широкополосных помех типа АБГШ эффективность предлагаемого способа превышает эффективность способа прототипа по показателю «отношение мощностей помехи и сигнала», при заданном уровне ошибки принятия решения о наличии сигнала, более чем в 5 раз.