УСТРОЙСТВО ПОДАВЛЕНИЯ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ПОМЕХ
DEVICE FOR BROAD-BAND INTERFERENCES SUPPRESSING

Изобретение относится к технике радиосвязи (ТРС) и может быть использовано в системах радиосвязи, работающих в условиях воздействия одного или нескольких источников широкополосных помех (ШП), отличающихся от сигнала пространственными характеристиками (расположенных не на направлении максимального излучения основного лепестка диаграммы направленности (ДН) антенно-фидерной системы (АФС), направленного на источник сигнала).
Технический результат заключается в возможности подавления ШП, отличающихся от сигнала пространственными характеристиками (расположенных не на направлении максимального излучения основного лепестка ДН АФС, направленного на источник сигнала). Устройство содержит последовательно соединенные АФС, линейные тракты радиоприемных устройств и адаптивный компенсатор помех.
К ШП относятся помехи, спектр которых полностью перекрывает спектр сигнала. К таким помехам относятся, например, заградительные, шумовые и шумоподобные помехи, борьба с которыми относится к числу наиболее сложных задач обеспечения требуемой помехозащищенности систем радиосвязи.
Известны устройства подавления ШП для радиоприемных устройств (РПУ) широкополосных сигналов (ШПС), описанные в патентах РФ 2190297 Н04В 1/10, 2196385 Н04В 1/10, 2204202 Н04В 1/10. Недостатком указанных устройств, является невысокая степень компенсации ШП.
В патенте 2090960 МПК H01Q 3/26 предлагается адаптивная антенная решетка (ΑΑΡ), обеспечивающая помехозащищенность приема сигналов при отсутствии априорной информации о направлении прихода полезного сигнала, для чего с помощью коммутатора, блока оценки качества приема сигналов, блока управления и второго блока умножения обратной выборочной корреляционной матрицы на управляющий вектор осуществляется циклически повторяющаяся процедура смены весовых коэффициентов (ВК), в качестве которых используется первый столбец корреляционной матрицы входных сигналов, останавливающаяся на ВК, обеспечивающем наибольшее значение показателя качества приема сигналов. Недостатком указанного устройства является сложность практической реализации используемых алгоритмов для обеспечения эффективной компенсации помех.
Аналогичные задачи решаются в патенте 2450022, МПК H01Q 21/00. В устройстве обеспечивается прием сигналов всех заданных источников радиоизлучений с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты с одновременным повышением качества их приема за счет увеличения вероятности правильной селекции входного потока сигналов путем учета их пространственных параметров. Устройство содержит блок взвешенного сложения, антенную решетку, блок формирования ВК, блок фиксации ВК, блок оценки пространственных параметров с первой и второй входными установочными шинами и блок частотно-временной обработки. Недостатком устройства является необходимость использования значительной части вычислительного ресурса на определение пространственных характеристик источников сигнала и помех.
Детальный анализ достоинств и недостатков различных систем подавления ШП, в т.ч с использованием адаптивных антенных систем, произведен, например, в работах В.А. Григорьева "Комбинированная обработка сигналов в системах радиосвязи". М.: Эко-Трендз, 2002 г.; Монзинго Р.А., Миллер Т.У. "Адаптивные антенные решетки: Введение в теорию". М.: Радио и связь, 1986 г.; в диссертации А.С. Харитонова "Анализ и синтез адаптивных устройств помехозащиты в радиолиниях с широкополосными шумоподобными сигналами, входящих в состав радиолокационных комплексов". М., 2011 г. и в др. источниках.
Вариант многоканальной обработки сигналов рассматривается в патенте №2466482, МПК H01Q 3/26, где ААР используется при приеме ШПС в условиях воздействия ШП. Технический результат заключается в повышении отношения сигнал (С)/(помеха (П) + шум (Ш)) при обработке ШПС по отношению к помеховым сигналам независимо от их полосы частот и мощности при любой сигнально-помеховой обстановке. ΑΑΡ содержит N антенных элементов, на выходах которых установлены N полосовых фильтров, каждый из которых имеет M выходов (по числу составляющих полезного сигнала, на которые делится широкополосный сигнал), M×N блоков комплексного взвешивания сигналов (КВС), M сигнальных сумматоров, общий сумматор и адаптивный процессор (ΑΠ). АП выполнен в виде совокупности M блоков формирования весовых коэффициентов (ФВК). M выходов каждого из N полосовых фильтров соединены для соответствующей частотной составляющей полезного сигнала с соответствующими входами M блоков ФВК непосредственно, а с соответствующими входами M сигнальных сумматоров - через блоки КВС. Выходы M блоков ФВК, являющихся выходами АП, подключены для соответствующей частотной составляющей полезного сигнала к управляющим входам блоков КВС. Выходы M сигнальных сумматоров подключены к входам общего сумматора. Недостатком устройства является необходимость существенного усложнения АФС для достижения приемлемой точности восстановления сигналов.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному является устройство подавления помех по патенту РФ №2269200, содержащее последовательно соединенные АФС, линейные тракты РПУ, 1-й адаптивный компенсатор помех (АКП), отличающихся от сигнала пространственными характеристиками, и 2-й АКП, отличающихся от сигнала спектральными характеристиками, радиопеленгатор, блок задания формы ДН АФС и блок ФВК, 1-й вход которого соединен с выходом радиопеленгатора, 2-й вход соединен с выходом блока задания формы ДН АФС, а выходы соединены с соответствующими входами 1-го АКП. Так как рассматривается только ШП, далее 2-й АКП, отличающийся от сигнала спектральными характеристиками, рассматриваться не будет, т.е. в качестве прототипа будет рассматриваться устройство по патенту РФ №2269200 без 2-го АКП.
Недостатком прототипа является его невысокая адаптационная приспособленность к реальным условиям работы. В реальных условиях работы ДН АФС часто подвержены неконтролируемым изменениям. Такие ситуации могут возникать, например, из-за влияния подстилающих поверхностей, переотражений от перемещающихся объектов, нестабильности геофизической и радиоэлектронной обстановки и т.д. Мобильные носители источников помех (ИП) и средств связи также существенно затрудняют получение достоверных сведений о ДН АФС, что может приводить к ошибкам в определении значений ВК в блоке ФВК прототипа и, следовательно, к ухудшению характеристик помехозащищенности работы устройства.
Для преодоления указанного недостатка требуемые значения ВК вычисляются в АКП, что позволяет исключить из состава устройства радиопеленгатор и блок задания формы ДН АФС.
Тогда устройство подавления широкополосных помех - это устройство, содержащее последовательно соединенные антенно-фидерную систему (АФС), линейные тракты радиоприемных устройств, в которых вход основного радиоприемного устройства соединен с выходом АФС, соответствующим основному лепестку диаграммы направленности АФС, направленному на источник сигнала, а остальные входы соединены с соответствующими выходами АФС, имеющими номера от единицы до N, и адаптивный компенсатор помех (АКП). АКП, выполненный по матричному принципу, содержит последовательно соединенные j-ый аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и j-й формирователь реализаций (ФР), каждая реализация содержит R отсчетов смеси сигнала (С) и помех (П), где j=0, 1 … N, являющиеся элементами нулевого (i=0) столбца и включенные в его j-й строке, последовательно соединенные j-е формирователь весового коэффициента (ФВК), перемножитель (ПМ) и вычитатель (ВТ), являющиеся элементами каждого из последующих i-x столбцов, где i=1, 2 … N, причем общее число скомпенсированных помех соответствует числу столбцов (N), и включенные в j-й строке каждого из последующих столбцов, при этом первый столбец (i=1) содержит N строк (с номерами (j) от 0 до (N-1)), каждая из которых содержит последовательно соединенные ФВК, ПМ и ВТ, причем выход ВТ последней (по порядку нумерации (N-1)-й) строки соединен с первым входом ПМ каждой из соответствующих строк (с номерами (j) от 0 до (N-2)) последующего (второго, i=2) столбца и со входом ФВК последней (по порядку нумерации (N-1)-й) строки первого столбца, выход которого соединен со вторым входом ПМ этой строки, первый вход которого соединен с выходом ФР последней (по порядку нумерации N-й) строки предыдущего (нулевого) столбца, а выход ПМ соединен со входом вычитаемого ВТ этой строки, вход уменьшаемого ВТ этой строки соединен с выходом ФР соответствующей (по порядку нумерации (N-1)-й) строки предыдущего (нулевого) столбца, выход ВТ каждой из остальных строк первого столбца (с номерами (j) от 0 до (N-2)) соединен со входом уменьшаемого ВТ соответствующей строки (с номерами (j) от 0 до (N-2)) последующего (второго) столбца и со входом ФВК той же строки первого столбца, выход которого соединен со вторым входом ПМ той же строки первого столбца, первый вход которого соединен с выходом ФР последней (по порядку нумерации N-й) строки предыдущего (нулевого) столбца, каждый из входов уменьшаемого ВТ каждой из остальных строк первого столбца (с номерами (j) от 0 до (N-2)) соединен с выходом ФР каждой из соответствующих строк (с номерами (j) от 0 до (N-2)) предыдущего (нулевого) столбца, а каждый из входов вычитаемого ВТ каждой из остальных строк первого столбца (с номерами (j) от 0 до (N-2)) соединен с выходом ПМ той же строки первого столбца, в результате чего на выходах ВТ каждой из строк первого столбца оказывается скомпенсированной (убирается) одна (N-я по порядку нумерации) помеха, в каждом из последующих столбцов число строк, содержащих последовательно соединенные j-ые ФВК, ПМ и ВТ, уменьшается на единицу, а общее число скомпенсированных помех, соответственно, увеличивается на единицу и, таким образом, последний (N-й) столбец содержит одну строку, содержащую последовательно соединенные ФВК, ПМ и ВТ, на выходе которого скомпенсированы (убираются) все помехи, при этом вход уменьшаемого ВТ j-й строки i-го столбца соединен с выходом ВТ соответствующей (j-й) строки предыдущего ((i-1)-го) столбца, а вход вычитаемого ВТ j-й строки i-го столбца соединен с выходом ПМ j-й строки i-го столбца, второй вход ПМ j-й строки i-го столбца соединен с выходом ФВК j-й строки i-го столбца, а первый вход ПМ каждой из строк i-го столбца соединен с выходом последнего (по порядку нумерации) ВТ предыдущего ((i-1)-го) столбца, выход вычитателя последнего (N-го) столбца соединен со входом цифроаналогового преобразователя, выход которого является выходом устройства, при этом в каждом из ФВК определяется значение весового коэффициента, максимизирующего для каждой реализации отношение С/П, для чего в ФВК для каждого из значений весового коэффициента, изменяемых в заданном диапазоне значений с заданным шагом, вычисляется быстрое преобразование Фурье реализации из R отсчетов, определяется отношение среднего арифметического значения всех спектральных коэффициентов амплитудного спектра (характеризующего уровень напряжения смеси С + П в данной реализации) и среднего арифметического значения заданного числа наименьших в данной реализации спектральных коэффициентов амплитудного спектра (характеризующего уровень напряжения помех в данной реализации), из этого отношения вычитается единица, в результате чего полученная величина характеризует отношение С/П для данной реализации, которое сравнивается с отношением С/П для следующего значения весового коэффициента и то значение весового коэффициента, при котором величина отношения С/П оказывается наибольшей (максимальной) запоминается, в результате чего после перебора всех значений весового коэффициента, изменяемых в заданном диапазоне значений с заданным шагом, на выходе ФВК формируется значение весового коэффициента, обеспечивающего максимальное отношение С/П для данной реализации, при этом все вычислительные операции управляются и синхронизируются с помощью ЭВМ по соответствующим шинам управления, данных и адреса.
На чертеже (фиг. 1) представлена структурная схема устройства.
На чертеже (фиг. 2) представлена структурная схема АКП.
На чертеже (фиг. 3) представлена блок-схема алгоритма функционирования ФВК для блока 3.4.j.i на фиг. 2.
На чертеже (фиг. 4) представлена блок-схема алгоритма функционирования блока определения значений отношения С/П (ОСП) для блока 3.4.j.i.2 на фиг. 3.
На чертеже (фиг. 5) представлен фрагмент экспериментальной проверки работоспособности устройства, соответствующий случаю подавления сигнала широкополосной помехой, перекрывающей спектр сигнала.
На чертеже (фиг. 6) представлен фрагмент экспериментальной проверки работоспособности устройства, соответствующий случаю работы устройства, обеспечивающего восстановление сигнала.
Устройство (фиг. 1) содержит: АФС 1, линейные тракты РПУ 2, АКП 3.
АКП 3 (фиг. 2), выполнен по матричному принципу, включает строки (j=0, 1, …N), столбцы (i=0, 1, …N) и содержит:
АЦП 3.0.0.0, 3.0.1.0, … 3.0.j.0, … 3.0.N-1.0, 3.0.N.0 и ФР 3.1.0.0, 3.1.1.0, … 3.1.j.0, … 3.1.N-1.0, 3.1.N.0 нулевого столбца;
ВТ первого столбца 3.2.0.1, 3.2.1.1, … 3.2.j.1, … 3.2.N-1.1, ПМ первого столбца 3.3.0.1, 3.3.1.1, … 3.3.j.1, … 3.3.N-1.1 и ФВК первого столбца 3.4.0.1, 3.4.1.1, … 3.4.j.1, … 3.4.N-1.1;
ВТ i-го столбца 3.2.0.i, 3.2.1.i, … 3.2.j.i, ПМ i-го столбца 3.3.0.i, 3.3.1.i, … 3.3.j.i и ФВК i-го столбца 3.4.0.i, 3.4.1.i, … 3.4.j.i;
ВТ (N-1)-го столбца 3.2.0.N-1, 3.2.1.N-1, ПМ (N-1)-го столбца 3.3.0.N-1, 3.3.1.N-1 и ФВК (N-1)-го столбца 3.4.0.N-1, 3.4.1.N-1;
ВТ N-го столбца 3.2.0.N; ПМ N-го столбца 3.3.0.N и ФВК N-го столбца 3.4.0.N; ЦАП 3.5; ЭВМ 3.6.
Принципы нумерации блоков на фиг. 2 (кроме блоков 3.5 и 3.6).
№ каждого блока состоит из четырех цифр: 1-я цифра - № общего блока (блок 3); 2-я цифра - № блока в составе блока 3 (№ субблока) - АЦП (цифра 0), ФР (цифра 1), ВТ (цифра 2), ПМ (цифра 3), ФВК (цифра 4); 3-я цифра - № строки блока (j=0, 1, … N), 4-я цифра - № столбца блока (i=0, 1, … N).
0
1
N
В состав АКП (блок 3) входит ЦАП (блок 3.5) и ЭВМ (блок 3.6), выполняющая функции программного управления блоками, входящими в состав блока 3 по шинам управления, данных и адреса (показаны на фиг. 2 утолщенными или двойными линиями). Для упрощения и большей наглядности, двойной линией показаны выходные сигналы ЭВМ, направленные к столбцам 0,1, … i … N-1, N, обведенным пунктирной линией, что означает соединение с каждым блоком внутри столбца. Соответствующие обозначения сделаны на стрелках от блока 3.6. На входы АКП (фиг. 2) подаются выходные напряжения линейных трактов РПУ (Х, Х, … X).
АКП (фиг. 2), выполненный по матричному принципу, содержит нулевой столбец, содержащий последовательно соединенные j-й АЦП (блоки 3.0.j.0; j=0, 1, … N), в котором выходное напряжение j-го линейного тракта РПУ оцифровывается и из полученных отсчетов в ФР (блоки 3.1.j.0; j=0, 1, … N), входы которых соединены с соответствующими выходами АЦП, формируются реализации смеси С + П, каждая из которых содержит R отсчетов.
АКП (фиг. 2) также содержит N столбцов компенсации N помех.
Первый столбец (i=1) содержит N строк (с номерами (j) от 0 до (N-1)), каждая из которых содержит последовательно соединенные ФВК 3.4.j.1, ПМ 3.3.j.1 и BT3.2.j.1.
Выход ВТ 3.2.N-1.1 последней (по порядку нумерации (N-1)-й) строки соединен с первым входом ПМ каждой из соответствующих строк (с номерами (j) от 0 до (N-2)) последующего (второго, i=2) столбца и со входом ФВК 3.4.N-1.1 последней (по порядку нумерации (N-1)-й) строки первого столбца, выход которого соединен со вторым входом ПМ 3.3.N-1.1 этой строки, первый вход которого соединен с выходом ФР 3.1.N.0 последней (по порядку нумерации N-й) строки предыдущего (нулевого) столбца, а выход которого соединен со входом вычитаемого ВТ этой строки, вход уменьшаемого ВТ этой строки соединен с выходом ФР 3.1.N-1.0 соответствующей (по порядку нумерации (N-1)-й) строки предыдущего (нулевого) столбца.
Выход ВТ 3.2.j.1 каждой из остальных строк первого столбца (с номерами (j) от 0 до (N-2)) соединен со входом уменьшаемого ВТ соответствующей строки (с номерами (j) от 0 до (N-2)) последующего (второго) столбца и со входом ФВК 3.4.j.1 (j=0, 1, 2, … (N-2)) той же строки первого столбца, выход которого соединен со вторым входом ПМ 3.3.j.1 (j=0, 1, 2, … (N-2)), той же строки первого столбца, первый вход которого соединен с выходом ФР 3.1.N.0 последней (по порядку нумерации N-й) строки предыдущего (нулевого) столбца.
Каждый из входов уменьшаемого ВТ 3.2.j.1 (j=0, 1, 2, … (N-2)) каждой из остальных строк первого столбца (с номерами (j) от 0 до (N-2)) соединен с выходом ФР 3.1.j.0 (j=0, 1, 2, … (N-2)) каждой из соответствующих строк (с номерами (j) от 0 до (N-2)) предыдущего (нулевого) столбца, а каждый из входов вычитаемого ВТ 3.2.j.1 (j=0, 1, 2, … (N-2)) каждой из остальных строк первого столбца (с номерами (j) от 0 до (N-2)) соединен с выходом ПМ 3.3.j.1 (j=0, 1, 2, … (N-2)) той же строки первого столбца, в результате чего на выходах каждого из ВТ каждой из строк первого столбца, оказывается скомпенсированной (убирается) одна (N-я по порядку нумерации) помеха.
В каждом из последующих столбцов число строк, содержащих последовательно соединенные j-е ФВК, ПМ и ВТ, уменьшается на единицу, а общее число скомпенсированных помех, соответственно, увеличивается на единицу и, таким образом, последний (N-й) столбец содержит одну строку, содержащую последовательно соединенные формирователь весового коэффициента 3.4.0.N, перемножитель 3.3.0.N и вычитатель 3.2.0.N, на выходе которого скомпенсированы (убираются) все помехи.
Вход уменьшаемого ВТ j-й строки i-го столбца соединен с выходом ВТ соответствующей (j-й) строки предыдущего ((i-1)-го) столбца, а вход вычитаемого ВТ j-й строки i-го столбца соединен с выходом ПМ j-й строки i-го столбца, второй вход ПМ j-й строки i-го столбца соединен с выходом ФВК j-й строки i-го столбца, а первый вход ПМ каждой из строк i-го столбца соединен с выходом последнего (по порядку нумерации) ВТ предыдущего ((i-1)-го) столбца.
Выход вычитателя 3.2.0.N последнего (N-го) столбца соединен со входом цифроаналогового преобразователя 3.5, выход которого является выходом устройства.
В каждом из ФВК определяется значение весового коэффициента, максимизирующего для каждой реализации отношение С/П, для чего в ФВК для каждого из значений весового коэффициента, изменяемых в заданном диапазоне значений с заданным шагом, вычисляется быстрое преобразование Фурье реализации из R отсчетов, определяется отношение среднего арифметического значения всех спектральных коэффициентов амплитудного спектра (характеризующего уровень напряжения смеси С + П в данной реализации) и среднего арифметического значения заданного числа наименьших в данной реализации спектральных коэффициентов амплитудного спектра (характеризующего уровень напряжения помех в данной реализации), из этого отношения вычитается единица, в результате чего полученная величина характеризует отношение С/П для данной реализации, которое сравнивается с отношением С/П для следующего значения весового коэффициента и то значение весового коэффициента, при котором величина отношения С/П оказывается наибольшей (максимальной) запоминается, в результате чего после перебора всех значений весового коэффициента, изменяемых в заданном диапазоне значений с заданным шагом, на выходе ФВК формируется значение весового коэффициента, обеспечивающего максимальное отношение С/П для данной реализации.
Все вычислительные операции управляются и синхронизируются с помощью ЭВМ 3.6 по соответствующим шинам управления, данных и адреса.
Устройство работает следующим образом.
АФС 1 (фиг. 1) формирует ДН в виде основного лепестка, направленного на источник сигнала, и боковых лепестков. Выходы АФС соединены со входами линейных трактов РПУ 2, в которых вход основного РПУ соединен с выходом АФС, соответствующим основному лепестку диаграммы направленности АФС, направленному на источник сигнала, а остальные входы соединены с соответствующими выходами АФС, имеющими номера от 1 до N. Выходы линейных трактов РПУ подаются на входы АКП 3.
Будем полагать, что все источники помех (ИП), отличающиеся от сигнала пространственными характеристиками, представляют ШП, усредненный спектр каждой из которых равномерный и перекрывает спектр сигнала. К таким относятся заградительные шумовые и шумоподобные помехи, борьба с которыми является сложной задачей.
Таким образом, вводится ограничение на множество компенсируемых помех: для каждого ИП, отличающегося от сигнала пространственными характеристиками, усредненный спектр является равномерным и перекрывает всю полосу пропускания линейного тракта РПУ.
0
1
N
На входы АКП (фиг. 2) подаются выходные напряжения линейных трактов РПУ (X,X, … X).
0
1
N
АКП, выполненный по матричному принципу, содержит нулевой столбец, в котором в блоках АЦП (3.0.j.0; j=0, 1, 2, … N) происходит преобразование выходных напряжений линейных трактов РПУ (X, X, … X) в цифровые отсчеты, а в блоках ФР (3.1.j.0; j=0, 1, 2, … N) формируются реализации отсчетов, каждая из которых содержит R цифровых отсчетов.
АКП также содержит N столбцов компенсации N помех.
Первый столбец (i=1) содержит N строк (с номерами (j) от 0 до (N-1)), каждая из которых содержит последовательно соединенные ФВК 3.4.j.1, ПМ 3.3.j.1 и BT 3.2.j.1.
Выход ВТ 3.2.N-1.1 последней (по порядку нумерации (N-1)-й) строки соединен с первым входом ПМ каждой из соответствующих строк (с номерами (j) от 0 до (N-2)) последующего (второго, i=2) столбца и со входом ФВК 3.4.N-1.1 последней (по порядку нумерации (N-1)-й) строки первого столбца, выход которого соединен со вторым входом ПМ 3.3.N-1.1 этой строки, первый вход которого соединен с выходом ФР 3.1.N.0 последней (по порядку нумерации N-й) строки предыдущего (нулевого) столбца, а выход ПМ соединен со входом вычитаемого ВТ 3.2.N-1.1 этой строки. Вход уменьшаемого ВТ этой строки соединен с выходом ФР 3.1.N-1.0 соответствующей (по порядку нумерации (N-1)-й) строки предыдущего (нулевого) столбца.
Выход ВТ 3.2.j.1 каждой из остальных строк первого столбца (с номерами (j) от 0 до (N-2)) соединен со входом уменьшаемого ВТ соответствующей строки (с номерами (j) от 0 до (N-2)) последующего (второго) столбца и со входом ФВК 3.4-j.1 (j=0, 1, 2, … (N-2)) той же строки первого столбца, выход которого соединен со вторым входом ПМ 3.3.j.1 (j=0, 1, 2, … (N-2)), той же строки первого столбца, первый вход которого соединен с выходом ФР 3.1.N.0 последней (по порядку нумерации N-й) строки предыдущего (нулевого) столбца.
Каждый из входов уменьшаемого ВТ 3.2.j.1 (j=0, 1, 2, … (N-2)) каждой из остальных строк первого столбца (с номерами (j) от 0 до (N-2)) соединен с выходом ФР 3.1.j.0 (j=0, 1, 2, … (N-2)) каждой из соответствующих строк (с номерами (j) от 0 до (N-2)) предыдущего (нулевого) столбца, а каждый из входов вычитаемого ВТ 3.2.j.1 (j=0, 1, 2, … (N-2)) каждой из остальных строк первого столбца (с номерами (j) от 0 до (N-2)) соединен с выходом ПМ 3.3.j.1 (j=0, 1, 2, … (N-2)) той же строки первого столбца, в результате чего на выходах каждого из ВТ каждой из строк первого столбца, оказывается скомпенсированной (убирается) одна (N-я по порядку нумерации) помеха.
В каждом из последующих столбцов число строк, содержащих последовательно соединенные j-е ФВК, ПМ и ВТ, уменьшается на единицу, а общее число скомпенсированных помех, соответственно, увеличивается на единицу и, таким образом, последний (N-й) столбец содержит одну строку, содержащую последовательно соединенные формирователь весового коэффициента 3.4.0.N, перемножитель 3.3.0.N и вычитатель 3.2.0.N, на выходе которого скомпенсированы (убираются) все помехи.
Вход уменьшаемого ВТ j-й строки i-го столбца соединен с выходом ВТ соответствующей (j-й) строки предыдущего ((i-1)-го) столбца, а вход вычитаемого ВТ j-й строки i-го столбца соединен с выходом ПМ j-й строки i-го столбца, второй вход ПМ j-й строки i-го столбца соединен с выходом ФВК j-й строки i-го столбца, а первый вход ПМ каждой из строк i-го столбца соединен с выходом последнего (по порядку нумерации) ВТ предыдущего ((i-1)-го) столбца.
Выход вычитателя 3.2.0.N последнего (N-го) столбца соединен со входом цифроаналогового преобразователя 3.5, выход которого является выходом устройства.
В каждом из ФВК определяется значение весового коэффициента, максимизирующего для каждой реализации отношение С/П, для чего в ФВК для каждого из значений весового коэффициента, изменяемых в заданном диапазоне значений с заданным шагом, вычисляется быстрое преобразование Фурье реализации из R отсчетов, определяется отношение среднего арифметического значения всех спектральных коэффициентов амплитудного спектра (характеризующего уровень напряжения смеси С + П в данной реализации) и среднего арифметического значения заданного числа наименьших в данной реализации спектральных коэффициентов амплитудного спектра (характеризующего уровень напряжения помех в данной реализации), из этого отношения вычитается единица, в результате чего полученная величина характеризует отношение С/П для данной реализации, которое сравнивается с отношением С/П для следующего значения весового коэффициента, и то значение весового коэффициента, при котором величина отношения С/П оказывается наибольшей (максимальной) запоминается, в результате чего после перебора всех значений весового коэффициента, изменяемых в заданном диапазоне значений с заданным шагом, на выходе ФВК формируется значение весового коэффициента, обеспечивающего максимальное отношение С/П для данной реализации.
Все вычислительные операции управляются и синхронизируются с помощью ЭВМ 3.6 по соответствующим шинам управления, данных и адреса.
tji1
tji2
tjiR
tji1
tji2
tjiR
На фиг. 3 поясняется процедура определения весового коэффициента βji на примере работы ФВК (блок 3.4.j.i) для одной реализации. Принципы нумерации блоков, расположенных внутри другого блока (субблоков) те же, что приведены в описании заявки для блоков на фиг. 2 (стр. 7, второй абзац снизу), за исключением того, что добавляется последняя (5-я) цифра, соответствующая порядковому номеру субблока. Т.е. номер блока 3.4.j.i.k соответствует блоку (субблоку) с порядковым номером k, расположенному внутри блока 3.4.j.i. От ВТ (блок 3.2.j.i) на вход ФВК (блок 3.4.j.i) поступает реализация смеси С + П в виде R отсчетов {X, X, … X}. Т.е. входными данными для блока 3.4.j.i.1 является набор числовых значений R отсчетов {X, X, … X} (массив чисел размерности R), где нижние индексы у каждого отсчета (элемента массива) обозначают: 1-й знак (t) - отсчеты (элементы массива) находятся во временной области (для спектральной области используется знак f), 2-й знак (j=0, 1, … N-1, N) - номер строки, 3-й знак (i=0, 1, … N-1, N) - номер столбца, 4-й знак - порядковый номер отсчета (1, 2, … R-1, R).
В блоке 3.4.j.i.1 задаются начальные условия работы алгоритма:
- значение (порядковый номер) первого шага вычислений m=1;
0
- начальное значение отношения (С/П)=0;
ji1
- начальное значение весового коэффициента β=0, где нижние индексы обозначают: 1-й знак (j=0, 1, … N-1, N) - номер строки, 2-й знак (i=0, 1, … N-1, N) - номер столбца, 3-й знак - значение (порядковый номер) шага вычислений;
- величина изменения значения весового коэффициента Δβ при переходе от предыдущего (m-1)-го шага вычислений к текущему (m) шагу вычислений;
- максимальное число шагов вычислений М;
MIN
- число минимальных отсчетов амплитудного спектра (AC) R.
Выходными данными для блока 3.4.j.i.1 и, соответственно, входными данными для блока 3.4.j.i.2 являются запомненные значения входных данных блока 3.4.j.i.1 и заданные значения начальных условий, сформированные в блоке 3.4.j.i.1.
m
m
В блоке 3.4.j.i.2 (предопределенный процесс) для каждого шага (значения m) определяется отношение С/П (ОСП), соответствующий алгоритм приведен на фиг. 4 и будет рассмотрен далее. Т.е. выходными данными для блока 3.4.j.i.2 и, соответственно, входными данными для блока 3.4.j.i.3, являются значения отношений С/П (ОСП), полученные на m-м шаге вычислений.
В блоке 3.4.j.i.3 вырабатывается решение, принимаемое по результату сравнения значений отношений сигнал/помеха на текущем (ОСПm) и предыдущем (ОСПm-1) шагах вычислений. Наибольшее значение ОСП (ответ "Да"), запоминается в блоке 3.4.j.i.7. Т.е. выходные данные блока 3.4.j.i.3, представляющие собой наибольшие значения ОСП на каждом шаге вычислений, являются, соответственно, входными данными для блока 3.4.j.i.7, а выходные данные блока 3.4.j.i.3, представляющие собой остальные значения ОСП на каждом шаге вычислений (ответ "Нет"), являются, соответственно, входными данными для блока 3.4.j.i.4.
В блоке 3.4.j.i.4 реализуется процесс формирования значения весового коэффициента, полученного на текущем шаге вычислений (βjim), увеличенного на заданную величину Δβ. Т.е. выходными данными для блока 3.4.j.i.4 являются запомненные значения βjim+Δβ.
В блоке 3.4.j.i.5 вырабатывается решение, принимаемое по результату проверки значений порядкового номера текущего шага вычислений (значения m), являющихся входными данными для блока 3.4.j.i.5, наряду с заданным в блоке 3.4.j.i.1 максимальным числом шагов вычислений М.
ji
При достижении заданного максимального числа шагов М (ответ "Да") вычисления прекращаются и осуществляется переход к блоку 3.4.j.i.7, в котором формируется значение ВК β, обеспечивающее максимальное значение ОСП, которое является выходными данными блока 3.4.j.i.7. Если не достигнуто заданное максимальное число шагов М (ответ "Нет"), осуществляется переход к блоку 3.4.j.i.6, в котором текущее значение m увеличивается на 1. Т.е. выходными данными для блока 3.4.j.i.6 являются значения m=m+1.
Алгоритм вычисления максимального значения ОСП приведен на фиг. 4. Принципы нумерации блоков, расположенных внутри блока 3.4.j.i.2 (субблоков) те же, что приведены в описании заявки для блоков на фиг. 3 для блоков 3.4.j.i.k (стр. 13, второй абзац снизу) за исключением того, что добавляется последняя (6-я) цифра, соответствующая порядковому номеру субблока. Т.е. номер блока 3.4.j.i.2.p соответствует блоку (субблоку) с порядковым номером р, расположенному внутри блока 3.4.j.i.2.
tji1
tji2
tjiR
tji1
tji2
tjiR
fji1
fji2
fjiR
Реализация смеси С + П в виде R отсчетов {X, X, … X} наряду с входными данными для работы блока 3.4.j.i.2 поступает на вход блока 3.4.j.i.2.1, в котором отсчеты временной реализации {X, X, … X} преобразуются с помощью алгоритма БПФ в отсчеты амплитудного спектра (АС) {X, X, … X}.
fji1
fji2
fjiR
Т.е. выходными данными для блока 3.4.j.i.2.1 и, соответственно, входными данными для блока 3.4.j.i.2.2, являются запомненные значения отсчетов АС {X, X, … X} и заданные значения начальных условий, сформированные в блоке 3.4.j.i.1.
fji1
fji2
fjiR
В блоке 3.4.j.i.2.2 определяется среднее арифметическое отсчетов АС {X, X, … X}, которое характеризует уровень напряжения смеси С + П, и является выходными данными для блока 3.4.j.i.2.2 и, соответственно, входными данными для блока 3.4.j.i.2.3.
fji1
fji2
fjiR
В блоке 3.4.j.i.2.3 по известному алгоритму сортировки отсчеты АС {X, X, … X} упорядочиваются в порядке возрастания и являются выходными данными для блока 3.4.j.i.2.3 и, соответственно, входными данными для блока 3.4.j.i.2.4.
MIN
В блоке 3.4.j.i.2.4 определяется среднее арифметическое заданного числа минимальных отсчетов AC (R), которое характеризует уровень напряжения помех (П) и является выходными данными для блока 3.4.j.i.2.4 и, соответственно, входными данными для блока 3.4.j.i.2.5.
В блоке 3.4.j.i.2.5 определяется ОСП=(С+П)/П-1, которое является выходными данными для блока 3.4.j.i.2.5 и, соответственно, входными данными для блока 3.4.j.i.3. Полученное значение ОСП поступает для дальнейшей обработки в блок 3.4.j.i.3 (фиг. 3) и дальнейшая работа реализуется по описанному выше алгоритму.
Экспериментальная проверка работоспособности предлагаемого устройства проводилась с использованием программно-аппаратного комплекса, включающего РПУ с цифровой обработкой сигнала (ЦОС), ЭВМ, программное обеспечение (ПО) РПУ и специализированное программное обеспечение (СПО), предназначенное для имитации сигнально-помеховой обстановки и реализации заданных алгоритмов обработки сигналов и помех. Входная часть РПУ содержит антенно-фидерное устройство (АФУ) и тракт предварительной обработки (усилители, фильтры и т.д.). Устройство ЦОС (включая ПО РПУ) содержит АЦП, устройство обработки сигналов (включая цифровой сигнальный процессор - DSP), ЦАП и работает под управлением операционной системы ЭВМ и управляющей части ПО РПУ, выполняющих функции устройства управления РПУ. Предусмотрена запись в файлы сигналов РПУ с возможностью их последующей обработки на ЭВМ, в т.ч. и в режиме моделирования сигнально-помеховой обстановки с использованием СПО.
В состав СПО входит программный модуль с реализацией следующих возможностей:
- встраивание имитатора вспомогательного канала приема в модуль СПО, т.е. реализована возможность проверки работоспособности алгоритмов пространственной обработки для двухканального приема;
- регулирование амплитудно-спектральных характеристик имитатора широкополосных помех;
- мониторинг сигнально-помеховой обстановки в удобном для оператора формате.
Результаты экспериментальной проверки работоспособности предлагаемого устройства представлены на фиг. 5 и 6. В качестве сигнала использовался файл с записью сигнала радиостанции с трансляцией речи в режиме двухполосной амплитудной модуляции на частоте 1260 МГц, 3 декабря 2010 г., начало сеанса 14 часов 5 минут.
Фиг. 5 соответствует случаю подавления сигнала широкополосной помехой, перекрывающей спектр сигнала. Отношение С/П составляет величину менее -40дБ. Разборчивость речи равна нулю.
Фиг. 6 соответствует случаю включения в модуле СПО блока компенсации помех, обеспечивающего практически полное восстановление сигнала. Отношение С/П составляет величину более +30дБ. Разборчивость речи близка к 100%.
Таким образом, представленные данные свидетельствуют о работоспособности предлагаемого устройства подавления широкополосных помех.