УСТРОЙСТВО С АДАПТИВНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ ПОМЕХ

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

Известны устройства подавления помех, описанные в книге Тузова Г.И., Сивова В.А., Прыткова В.И. и др. «Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами» под ред. Тузова Г.И., изд. «Радио и связь», 1985, с.177 - 184 [1], а также в патентах РФ №2034403, Н04В 1/10, №2204203, Н04В 1/10, недостатками которых являются невысокая степень подавления помех, а также наличие схемы амплитудной селекции, такой как ограничитель снизу. Известно, что подобные схемы эффективны только тогда, когда амплитуда полезного сигнала существенно превышает амплитуду помехи [2].

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству является радиостанция с адаптивной компенсацией помех, описанная в патенте РФ №2335084, Р04В 1/10, принятая за прототип.

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

2 - схема «запрет»;

3 - схема накопления;

4 - аналогово-цифровой преобразователь (АЦП);

5 - программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС);

6 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП);

7 - электронный ключ;

9 - ограничитель снизу.

Устройство-прототип содержит последовательно соединенные ограничитель снизу 9, схему «запрет» 2, схему накопления 3, АЦП 4, ПЛИС 5 и электронный ключ 7, выход которого является выходом устройства, а также ЦАП 6, вход которого подключен ко второму выходу ПЛИС 5, а выход - к управляющему входу ограничителя снизу 9, информационный вход которого соединен с информационным входом схемы «запрет» 2 и является входом устройства. При этом выход схемы накопления 3 соединен с аналоговым входом электронного ключа 7.

Устройство-прототип работает следующим образом.

Через ограничитель снизу 9 проходят только те импульсы, амплитуда которых превышает пороговый уровень. При этом входной сигнал не проходит через схему «запрет» 2.

На управляющем входе ограничителя снизу 9 формируется пороговое напряжение, значение которого оптимально, т.е. на выходе схемы «запрет» 2 обеспечивается отношение амплитуды сигнала к амплитуде помехи, близкое к единице, а на выходе схемы накопления 3 отношение амплитуды сигнала к амплитуде помехи увеличивается в N раз (N - коэффициент, характеризующий эффективность схемы накопления 3). Реализация схемы накопления 3 зависит от типа входного сигнала.

Рассмотрим пример работы устройства-прототипа при реализации в качестве оптимизационного метода - метод деления пополам. Радиостанция, передающая информацию, в начале каждого цикла передачи передает служебную информацию - кодовый сигнал, состоящий из нескольких одинаковых кодовых групп, объемом до 10 бит.

На первом шаге в радиостанции, принимающей информацию, на управляющий вход ограничителя снизу 9 с ЦАП 6 поступает напряжение, значение которого максимально.

В этом случае на вход схемы накопления 3 с выхода схемы «запрет» 2 поступает принятая смесь сигнала и помехи без изменения. Первая группа кодового сигнала с выхода АЦП 4 поступает в ПЛИС 5, где сравнивается с копией кодового сигнала. Если результат сравнения (коэффициент совпадения) превышает пороговое значение коэффициента совпадения, определяемое расчетным путем, то цифровое значение порогового напряжения, вырабатываемое в ПЛИС 5, не изменяется. В противном случае в ПЛИС 5 рассчитывается цифровое значение напряжения, равное среднему значению первого и второго промежуточных значений порогового напряжения

где U_T - текущее значение порогового напряжения,

U_n1 - первое промежуточное значение порогового напряжения,

U_n2 - второе промежуточное значение порогового напряжения.

На первом шаге первое промежуточное значение порогового напряжения принимается равным максимальному значению порогового напряжения, второе промежуточное значение порогового напряжения принимается равным минимальному значению порогового напряжения.

Полученное значение напряжения фиксируется как текущее значение порогового напряжения.

На последующих шагах расчет значений порогового напряжения осуществляется следующим образом.

При обработке очередной группы кодового сигнала на вход схемы накопления 3 с выхода схемы «запрет» 2 поступает часть аддитивной смеси сигнала и помехи, не превысившей порог.

Кодовый сигнал и помеха в цифровом виде с выхода АЦП 4 поступают в ПЛИС 5, где сравниваются с копией кодового сигнала. Если результат сравнения (коэффициент совпадения) превышает порог совпадения, то цифровое значение порогового напряжения, вырабатываемое в ПЛИС 5, не изменяется, процесс поиска оптимального значения порогового напряжения останавливается, на первом выходе ПЛИС 5 формируется единичное напряжение, открывающее электронный ключ 7.

Если коэффициент совпадения не превысил порог совпадения, то процесс поиска оптимального значения порогового напряжения продолжается и заключается в следующем. Здесь возможны две ситуации.

1. Если коэффициент совпадения превышает коэффициент совпадения, полученный на предыдущем шаге, то в качестве первого промежуточного значения запоминается текущее значение напряжения, полученное на предыдущем шаге:

U_T1=U_T(n-1),

где U_T(n-1) - текущее значение напряжения, полученное на предыдущем шаге,

n - номер текущего шага процесса.

2. Если коэффициент совпадения не превышает коэффициент совпадения, полученный на предыдущем шаге, то в качестве второго промежуточного значения запоминается текущее значение напряжения, полученное на предыдущем шаге:

U_T2=U_T(n-1)

Текущее значение порогового напряжения рассчитывается по формуле (1).

Процесс продолжается до тех пор, пока коэффициент совпадения не станет равным или не превысит пороговое значение коэффициента совпадения или пока не будут исчерпаны все кодовые группы служебного сообщения.

После чего осуществляется прием информации, причем в приемном устройстве радиостанции, принимающей информацию, используется оптимальное значение порогового напряжения.

Недостатками устройства-прототипа являются низкая степень подавления помех в условиях априорной неопределенности информации о мощности помехи и сигнала, а также потеря полезной информации о сигнале из-за ограничения полезного сигнала.

Для устранения указанных недостатков в устройство с адаптивной компенсацией помех, содержащее последовательно соединенные схему накопления, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) и электронный ключ, причем выход схемы накопления соединен с информационным входом электронного ключа, выход которого является выходом всего устройства, а также цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), вход которого подключен ко второму выходу ПЛИС, а выход - к информационному входу схемы «запрет», согласно изобретению введены компаратор и вычитающий блок, причем информационный вход компаратора и первый вход вычитающего блока объединены и являются входом устройства, при этом управляющий вход компаратора соединен с выходом ЦАП, а выход компаратора соединен с запрещающим входом схемы «запрет», выход которой соединен со вторым входом вычитающего блока, выход которого соединен с входом схемы накопления.

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

1 - компаратор;

2 - схема «запрет»;

3 - схема накопления;

4 - аналогово-цифровой преобразователь (АЦП);

5 - программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС);

6 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП);

7 - электронный ключ;

8 - вычитающий блок.

Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные компаратор 1 и схему «запрет» 2, выход которой соединен со вторым входом вычитающего блока 8, выход которого через последовательно соединенные схему накопления 3, АЦП 4 и ПЛИС 5 соединен с управляющим входом электронного ключа 7, выход которого является выходом устройства. Кроме того, второй выход ПЛИС 5 соединен с входом ЦАП 6, выход которого соединен с управляющим входом компаратора 1 и информационным входом схемы «запрет» 2. Информационный вход компаратора 1 и первый вход вычитающего блока 8 объединены и являются входом устройства, при этом выход схемы накопления 3 соединен с информационным входом электронного ключа 7.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

На управляющий вход компаратора 1 поступает пороговое напряжение и сравнивается с входным. В результате сравнения с выхода компаратора 1 импульсы напряжения поступают на запрещающий вход схемы «запрет» 2 в случае, если U_вх<A. На информационный вход схемы «запрет» 2 подается напряжение, которое является выходным ЦАП 6. Импульсное напряжение передается с информационного входа схемы «запрет» 2 только в том случае, если отсутствует напряжение на ее запрещающем входе. А это происходит только при U_вх>A. Следовательно, на выход схемы «запрет» 2 пройдут только те импульсные сигналы, для которых справедливо соотношение

U_вх>A

В ПЛИС 5 цифровыми методами осуществляется вычисление порогового напряжения. Для этого могут быть использованы различные подходы, например, как и в устройстве-прототипе, с использованием метода деления пополам, или каким-либо аналогичным. В результате на выходе ПЛИС 5 формируется пороговое значение напряжения, которое и подается далее на ЦАП 6:

A=K_max|U_C|,

где А - пороговое напряжение;

U_C - напряжение полезного сигнала;

К - коэффициент.

В предлагаемом устройстве происходит ограничение амплитуды помех до уровня полезного сигнала. В результате на выходе вычитающего блока 8 имеем:

где x(t) - аддитивная смесь помехи и полезного сигнала;

А - пороговое напряжение;

y(t) - выход с вычитающего устройства 8.

Из формулы (2) следует, что при отсутствии помехи выходной сигнал совпадает с входным.

Покажем, что количество информации, содержащееся в одном отсчете выходного сигнала заявляемого устройства, относительно полезного сигнала превышает аналогичное количество информации в устройстве-прототипе. В дальнейшем рассматривается количество информации, содержащееся всего в одном отсчете, а не во всем непрерывном сигнале, исключительно из-за сложности выкладок в последнем случае. Принципиальные выводы останутся неизменными и в этом более общем случае. Итак, рассматриваем отсчеты в те моменты времени, когда импульсная помеха присутствует. Очевидно, для тех моментов времени, когда помеха отсутствует, количество информации о полезном сигнале как для заявленного устройства, так и устройства-прототипа будут одинаковыми. Кроме того, для простоты вычислений будем полагать отсчеты полезного сигнала и помехи - независимыми нормальными центрированными случайными величинами с дисперсиями D₁ и D₂ соответственно. Тогда в соответствии с [3] количество информации, содержащееся в одном отсчете сигнала х относительно исходного сигнала s, будет определяться разностью энтропий

где

дифференциальная энтропия сигнала х,

условная дифференциальная энтропия (энтропия шума).

Рассчитаем количество информации для заявляемого устройства J₁(D₁,D₂) и для устройства-прототипа J₂(D₁,D₂) по формулам (3)-(5). Предварительно вычислим плотности вероятностей сигналов на выходе предлагаемого устройства и обычного ограничителя. На фиг. 3а и фиг.3б изображены амплитудные характеристики (зависимости выходного сигнала от входного) для обычного ограничителя по уровню и для заявляемого устройства соответственно.

Оба эти устройства можно рассматривать как нелинейные безынерционные элементы.

При этом несложно показать, что, если р_ξ(х) - это плотность вероятности входного сигнала, то плотность вероятности сигнала на выходе ограничителя имеет вид:

где δ - дельта-функция Дирака.

Аналогично можно показать, что плотность вероятности сигнала на выходе заявленного устройства может быть представлена в виде

Эти функции используются далее для расчета плотностей вероятностей W(x) и W(x|s).

На фиг.4 изображена зависимость X(D₁,D₂)=J₁(D₁,D₂)/(D_l,D₂), представляющая собой отношение двух количеств информации и, следовательно, показывающая, во сколько раз количество информации, содержащееся в выходном сигнале (фиг.4) заявляемого устройства относительно полезного сигнала, больше, чем в выходном сигнале двустороннего ограничителя. На этом графике под номером 1 изображена зависимость X(D, D), под номером 2 - X(D,10) и под номером 3 - X(D/2,D). Из анализа этого графика следует, что количество информации, содержащееся в выходном сигнале заявляемого устройства, больше, чем на выходе двустороннего ограничителя (в прототипе), причем с ростом дисперсии входного сигнала разница между ними становится все больше.

Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает уменьшение влияния помехи на радиоприемное устройство за счет уменьшения «помеховых выбросов» в реализации наблюдаемых данных без потери полезной информации.

Источники информации

1. Тузов Г.И., Сивов В.А., Прытков В.И. и др. Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами; под ред. Г.И.Тузова. М.: «Радио и связь», 1985.

2. Максимов М.В., Бобнев М.П., Кривицкий Б.Х. и др. Защита от радиопомех. М.: «Сов. радио», 1976.

3. Душин В.К. Теоретические основы информационных процессов и систем. М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К⁰», 2003.