Способ защиты от узкополосных и импульсных помех для цифрового приёмника
METHOD FOR PROTECTION AGAINST NARROW-BAND AND PULSE INTERFERENCE FOR A DIGITAL RECEIVER

Предлагаемый способ относится к области радиотехники и может найти применение в системах связи для передачи данных по каналу в условиях воздействия комплекса преднамеренных помех.
Известен оптимальный способ функционирования цифрового приёмника [1] для случая, когда спектр сигнала известен и имеет вид , а спектр помехи является произвольной известной функцией частоты . Такой приёмник состоит из двух последовательно соединённых блоков. Первый блок является фильтром с комплексным коэффициентом передачи равным , таким, что , где  - некоторая постоянная. Таким образом, на выходе первого блока помеха имеет равномерную спектральную плотность мощности, а сигнал имеет спектр вида . Второй блок является фильтром с комплексным коэффициентом передачи вида , где А – некоторая постоянная,  - функция, комплексно-сопряжённая к спектру сигнала. Второй блок является оптимальным фильтром для сигнала со спектром , наблюдаемым на фоне белого шума со спектральной мощностью .
Известен квазиоптимальный способ функционирования цифрового приёмника для случая, когда спектр сигнала известен и имеет вид , а спектр помехи является произвольной известной функцией частоты  [2]. В этом случае приёмник представляет собой устройство, состоящее из четырёх последовательно соединённых блоков. Первый блок – широкополосный усилитель промежуточной частоты. Второй блок имеет N входов, N выходов и состоит из N параллельных каналов. В каждом канале находится полосовой фильтр с шириной полосы пропускания , где F - ширина всей рабочей полосы частот приёмника, N - число каналов. Полосы пропускания фильтров в параллельных каналах не перекрываются. Входной сигнал проходит через каждый из N каналов. Третий блок представляет собой сумматор с N входами, подключенными к выходам второго блока, так что его выходной сигнал является суммой выходных сигналов каждого из каналов второго блока.
Недостатком указанных выше способов является сложность их практической реализации, особенно в случае использования цифровых процессоров. Это приводит к существенному снижению характеристики быстродействия по сравнению с оптимальным приёмником для сигнала на фоне помехи с равномерным спектром.
Другой квазиоптимальный способ, предложенный, например, в [3] предполагает измерение и вычитание высоко коррелированной узкополосной помехи из принимаемой смеси, недостатком этого способа является отсутствие возможности подавления нескольких узкополосных помех. Этот же недостаток характерен и для ряда других квазиоптимальных адаптивных способов подавления узкополосных помех, например, на основе рекурсивной фильтрации, как в [4].
В некоторых случаях квазиоптимальные способы борьбы с узкополосными помехами входят в более общие способы борьбы с узкополосными и импульсными помехами, например, способ, приведённый в [5]. Недостатком этого способа являются слабая интеграция и взаимообусловленность импульсного и узкополосного фильтров.
Существуют также упрощённые квазиоптимальные способы, специально адаптированные для сигнальных процессоров, например, способ, приведённый в [6]. Недостатком данного способа является то, что он не адаптирован к особенностям и возможностям отечественных сигнальных процессоров.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является способ, описанный в [2], принятый за прототип.
Способ-прототип заключается в записи комплексного входного массива отсчетов в первое и второе входное оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), считывании данного массива в блоках весовой обработки отсчётов, которые выполнены таким образом, чтобы было возможно одновременно записывать и считывать входной массив отсчетов. При этом первое считывание отсчетов из входных ОЗУ осуществляется без умножения на весовую функцию. Далее последовательно осуществляются: вычисление спектра массива входных выборок в блоке быстрого преобразования Фурье, обнаружение узкополосных помех (УПП) и определение числа спектральных составляющих УПП анализатором спектра (АС). Обнаружение УПП осуществляется посредством сравнения спектральных составляющих входного сигнала с пороговым значением. Пороговое значение выбирается с помощью критерия максимума отношения сигнал/шум на выходе приёмника [1]. Если число спектральных составляющих УПП больше N/2, то записанные входные отсчеты считываются с входных ОЗУ повторно и умножаются первым и вторым блоками весовой обработки на "оконную" функцию. Повторно вычисляется спектр взвешенного входного массива отсчетов.
При анализе спектра координаты спектральных составляющих УПП (адреса входных ОЗУ) выдаются на блок формирования передаточной функции фильтра. Соответствующие спектральные составляющие передаточной функции приравниваются к нулю.
После перемножения умножителем спектра входной смеси и передаточной функции спектральные составляющие помехи будут равны нулю. Полученное произведение двух последовательностей в блоке обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ) преобразуется во временную область, а затем в блоке вычисления модуля комплексных чисел вычисляются модули полученных отсчетов.
Недостатками способа-прототипа являются сложность практической реализации, относительно низкая скорость работы, отсутствие способа борьбы с импульсными помехами (взаимообусловленного с процессом подавления узкополосных помех), а также отсутствие возможностей противодействия нестационарным помехам с быстроменяющимся спектром.
В заявляемом способе решается задача совместного подавления импульсных и узкополосных помех при условии минимизации времени обработки сигнала, минимизации аппаратных затрат на обработку, оптимизации совместного подавления импульсных и узкополосных помех и при условии отсутствия априорных знаний о помехах.
Для решения поставленной задачи в способе защиты от узкополосных и импульсных помех для цифрового приёмника, включающем: накопление отсчетов входных данных; быстрое преобразование Фурье и получение спектра сигнала; вычисление значения первого порога; обнаружение узкополосных помех (УПП) помощью первого порога и вычисление границ интервалов частот, подлежащих подавлению; вычисление коэффициентов фильтрации; применение вычисленных коэффициентов для фильтрации; обратное преобразование Фурье сигнала и получение временной реализации сигнала, согласно изобретению, производят скользящее усреднение входного массива данных; ограничивают сигнал по уровню, обнуляют значения массива данных, превышающих первый порог; осуществляют быстрое преобразование Фурье по основанию 4; разбивают массив значений спектра на полосы; вычисляют максимум среди значений спектра, принадлежащих каждой из полос; вычисляют минимум среди полученных максимумов; вычисляют значение второго порога как произведение полученного минимума и подобранного коэффициента; вычисляют границы интервалов частот, подлежащих подавлению в соответствии со значением второго порога; выносят решение о добавлении или исключении некоторого количества полос подавления в данный момент времени с последующим добавлением или исключением данных полос на основе принципов нечеткой логики; вносят временную задержку изменения параметров фильтрации сигнала; вычисляют коэффициенты фильтрации с помощью подобранной оконной весовой функции; изменяют коэффициенты фильтрации с учетом временной задержки; осуществляют обратное преобразование Фурье сигнала по основанию 4; проводят скользящее усреднение массива данных, полученных после обратного преобразования Фурье; осуществляют обнуление массива данных, превышающих некоторый третий порог.
Предлагаемый способ заключается в следующем.
На первом этапе выполняется фильтрация сигнала с целью предварительного подавления импульсных помех. Производится скользящее усреднение входного массива данных и ограничение сигнала по уровню, а именно обнуление значений массива данных, превышающих первый порог. Далее отфильтрованный от наиболее значительных импульсных помех сигнал подвергается дальнейшей фильтрации с целью подавления узкополосных помех. Производится накопление отсчетов входных данных и осуществляется быстрое преобразование Фурье по основанию 4. Кроме того, спектр отфильтрованного от импульсных помех сигнала подаётся на анализатор спектра, который управляет фильтрацией сигнала от узкополосных помех. В анализаторе спектра массив значений спектра разбивается на полосы; вычисляется максимум среди значений спектра, принадлежащих каждой из полос. Далее вычисляется минимум среди полученных максимумов, вычисляется значение второго порога как произведение полученного минимума и подобранной константы; вычисляются границы интервалов частот, подлежащих подавлению в соответствии со значением второго порога; выносится решение о добавлении или исключении некоторого количества полос подавления с последующим добавлением или исключением данных полос на основе принципов нечеткой логики; вносится временная задержка изменения параметров фильтрации сигнала; вычисляются коэффициенты фильтрации с помощью подобранной оконной весовой функции. Полученные коэффициенты применяются для фильтрации спектра принятого сигнала с использованием подобранного для оптимизации производительности окна и с учётом заданной временной задержки. После фильтрации осуществляют обратное преобразование Фурье сигнала по основанию 4; производится скользящее усреднение массива данных, полученных после обратного преобразования Фурье; осуществляется обнуление массива данных, превышающих третий порог.
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает совместное подавление импульсных и узкополосных помех при условии минимизации времени обработки сигнала, минимизации аппаратных затрат на обработку, оптимизации совместного подавления импульсных и узкополосных помех и при условии отсутствия априорных знаний о помехах. Это стало возможно за счет применения современных высокоскоростных методов обработки цифровых сигналов, адаптации этих способов к возможностям и особенностям современных отечественных сигнальных процессоров, распараллеливанию процессов обработки и анализа сигнала, внедрению нового эвристического алгоритма формирования порога, а также элементам нечеткой логики.
Заявляемый способ защиты от узкополосных и импульсных помех для цифрового приёмника может быть реализован устройством, схема которого представлена на фиг. 1, где обозначено:
1.1, 1.2 – входной (ВхИФ) и выходной (ВыхИФ) импульсные фильтры;
2.1, 2.2 – скользящие усреднители (СУ);
3.1, 3.2 – ограничители;
4 – многополосный полосозаградительный комплексный фильтр с изменяемыми коэффициентами (МПКФИК);
5 – анализатор спектра (АС);
5.1 – буфер накопления входных данных (БНВД);
5.2 – полосовой вычислитель максимума (ПВМ);
5.3– общий вычислитель минимума (ОВМ);
5.4 – формирователь порога (ФП);
5.5 – вычислитель коэффициентов (коэффициентами здесь названы границы интервалов частот, подлежащих подавлению (ГИЧПП) с изменяемой задержкой подавления (ВКИЗП).
Устройство, реализующее заявляемый способ, содержит последовательно соединенные входной импульсный фильтр (ВхИФ) 1.1, многополосный полосозаградительный комплексный фильтр с изменяемыми коэффициентами (МПКФИК) 4 и выходной импульсный фильтр (ВыхИФ) 1.2, выход которого является выходом устройства. Кроме того, второй выход МПКФИК 4 соединен с входом анализатора спектра 5, являющимся входом буфера накопления входных данных 5.1, выход которого через последовательно соединенные ПВМ 5.2, ОВМ 5.3, ФП 5.4 и ВКИЗП 5.5 соединен со вторым входом МПКФИК 4. При этом выход ВКИЗП 5.5. является выходом анализатора спектра 5; второй выход БНВД 5.1 соединен со вторым входом ВКИЗП 5.5.
Входной импульсный фильтр 1.1 (аналогичен по построению выходному 1.2) и содержит последовательно соединенные скользящий усреднитель (СУ) 2.1 и ограничитель 3.1. Причем входы СУ 2.1 и ОГР 3.1 соединены и являются входом ВхИФ 1.1, совпадающим с входом устройства. Выход ОГР 3.1 является выходом ВхИФ 1.1. Входы СУ 2.2 и ОГР 3.2 объединены и являются входом ВыхИФ 1.2. Выход ОГР 3.2 является выходом ВыхИФ 1.2.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.
Информационный цифровой сигнал поступает на вход ВхИФ 1.1, с выхода которого сигнал поступает на вход МПКФИК 4. В начальный момент МПКФИК 4 настроен так, чтобы полезный сигнал поступал на первый выход МПКФИК 4 без изменений. Со второго выхода МПКФИК 4 спектр сигнала поступает на вход анализатора спектра 5 для дальнейшего анализа, где происходит определение поражённых узкополосными помехами участков спектра входного сигнала и вычисление ГИЧПП для МПКФИК 4. Набор ГИЧПП, вычисленных в АС 5 по спектру сигнала, поступает на второй вход МПКФИК 4. С первого выхода МПКФИК 4 отфильтрованный от узкополосных помех сигнал поступает на вход ВыхИФ 1.2. Блоки ВхИФ 1.1 и ВыхИФ 1.2 работают следующим образом. Отсчёты входного сигнала попадают на вход скользящего усреднителя (СУ) 2.1 и на первый вход ограничителя 3.1. В СУ 2.1 вычисляется скользящее среднее модулей отсчётов входного сигнала по формуле , . Значение скользящего среднего  поступает с выхода СУ 2.1 на второй вход ограничителя 3.1, где происходит сравнение модуля очередного отсчёта входных данных  с умноженным на первый порог  скользящим средним . Отсчёт сигнала на выходе ограничителя 3.1 определяется следующей формулой:
БНВД 5.1 принимает и сохраняет N последовательных отсчётов спектра входного сигнала, а затем отправляет их на вход ПВМ 5.2 и второй вход ВКИЗП 5.5. На выходе БНВД 5.1 формируется вектор выходных данных . ПВМ 5.2 – это устройство, которое преобразует вектор входных данных  в вектор выходных данных вида , где , . Сигнал с выхода ПВМ 5.2 поступает на вход ОВМ 5.3 – устройство, вычисляющее минимум среди компонент вектора , так что на выходе ОВМ 5.3 получаем число . Сигнал с выхода ОВМ 5.3 поступает на вход ФП 5.4 – это устройство, вычисляющее второй порог по формуле , где  некоторая подобранная константа, предварительно записанная в память ФП 5.4. ВКИЗП 5.5 – это устройство, вычисляющее для блока МПКФИК 4 по вектору входных данных границы интервалов частот, где спектр сигнала превосходит второй порог.
Решение о внесении новой полосы для подавления в итоговый набор полос или исключение полосы выносится на основании значения второго порога, полученного в ФП 5.4 и с помощью алгоритма, основанного на принципах нечёткой логики и описанного в программе по свидетельству о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014612682.
Кроме того, если после анализа в АС 5 были выявлены новые полосы частот для подавления, то ВКИЗП 5.5 вносит эти новые полосы для подавления в итоговый набор полос не сразу, а после истечения некоторого времени, которое может быть задано. Эта задержка необходима для борьбы с помехами, имеющими достаточно быстро меняющийся во времени спектр.
МПКФИК 4 представляет собой цифровой комплексный фильтр с конечной импульсной характеристикой. Фильтрация осуществляется в частотной области. При фильтрации сигнала на первом шаге вычисляется быстрое преобразование Фурье (БПФ) поступившего сигнала, затем полученный спектр сигнала умножается на маску, которая вычисляется с помощью переданных из ВКИЗП 5.5 границ полос подавления и специально подобранной оконной весовой функции, реализация которой в виде программного кода дана в программе по свидетельству №2014612682, далее вычисляется обратное быстрое преобразование Фурье (ОБПФ) данного произведения. При этом прямое и обратное быстрые преобразования Фурье сигнала вычисляется по основанию 4. Это стало возможным благодаря применению в устройстве, реализующем заявляемый способ, микросхемы 1892ВМ10Я разработанной в  АО НПЦ "ЭЛВИС". На первый выход МПКФИК 4 поступает очищенный от узкополосных помех сигнал. На второй выход МПКФИК 4 поступает спектр неочищенного сигнала, полученный на первом шаге работы МПКФИК 4.
Заявляемый способ предполагает наличие двух фильтров для борьбы с импульсными помехами, каждый из которых может быть настроен независимо. Данные настройки взаимообусловлены между собой и с настройками МПКФИК 4 и АС 5. Благодаря этому подходу стало возможным уменьшение искажений, вносимых в сигнал при фильтрации.
Реализация устройства, функционирующего в соответствии с предлагаемым способом, возможна на основе современных и перспективных интегральных микросхем российского производства, например, 1892ВМ10Я и ей подобных.
Предлагаемый способ защиты от узкополосных и импульсных помех позволяет осуществлять высокоскоростной приём сигнала в условиях воздействия комплекса преднамеренных помех.
По сравнению со способом-прототипом предлагаемый способ обладает высоким быстродействием, простотой реализации, требует меньшей априорной информации о помехах, обладает большей эффективностью в случае борьбы с нестационарными помехами и адаптирован для совместного подавления узкополосных и импульсных помех.
Кроме того, устройства, функционирующие в соответствии с предлагаемым способом, оптимизированы для имплементации в интегральную микросхему 1892ВМ10Я и другие аналогичные цифровые процессоры с учётом их недостатков и достоинств.
Достигаемый технический результат заключается в том, что предлагаемый способ обладает высоким быстродействием, простотой реализации и требует меньше априорной информации о помехах, обладает большей эффективностью в случае борьбы с нестационарными помехами по сравнению с прототипом, а также обладает гибкими аппаратными требованиями.
Источники информации:
[1] Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами. Под редакцией Г. И. Тузова — М.: Радио и связь, 1985. — 264 с.
[2] Табацкий В. Д., Анализ алгоритма и структурной схемы цифрового согласованного фильтра шумоподобных сигналов / В. Д. Табацкий // ТСС, серия ТС. — 1990. — Выпуск 7. — С. 100-105
[3] Прилепский А. В., Способ и устройство подавления узкополосной помехи при приеме сложных фазоманипулированных сигналов. / А.В. Прилепский, А.В. Гармонов, С.В. Фурсов, В.В. Прилепский. Патент РФ № 2254677, 2005 г.
[4]  Kilani M. T., Narrowband interference canceller for wideband communication systems/ M. T. Kilani, Патент США № US6976044B1, 2005 г.
[5] Кармишин А. М., Устройство подавления узкополосных и импульсных помех А. М. Кармишин, С. Б. Шестак. Патент СССР  № SU1243134A1, 1984 г.
[6] Sobchak C., Low cost and high performance narrowband interference cancellation system/ C. Sobchak, M. Rahman, D. Haub, L. Vannatta, Патент США № US20050190867A1,  2005 г.