Система автоматической регулировки усиления с задержкой сигнала на время оценки мощности аддитивной смеси сигнала и помехи
AUTOMATIC GAIN CONTROL SYSTEM WITH SIGNAL DELAY FOR THE TIME OF EVALUATING THE POWER OF AN ADDITIVE MIXTURE OF SIGNAL AND INTERFERENCE

Предлагаемое устройство относится к области радиотехники и может быть использовано в приемных устройствах радиотехнических систем.
Известно устройство адаптивной временной регулировки усиления (ВРУ), описанное в полезной модели к патенту №165436 RU, G01S 7/34. Недостатком устройства является то, что включение адаптивной ВРУ осуществляется оператором РЛС, поэтому устройство не может быть использовано в устройствах автоматической регулировки усиления (АРУ).
Известно устройство АРУ, который реализуется логарифмическими усилителями, описанными в книге Максимова М.В., Бобнева М.П., Кривицкого Б.Х., и др. «Защита от радиопомех», изд. «Сов. радио», 1976г., стр. 189 - 197. Недостатком данного устройства является невозможность обеспечения линейности характеристики усилителя.
Известны устройства АРУ, которые реализуется системами АРУ - быстродействующей АРУ (БАРУ), схемой АРУ «вперед», системой АРУ с нелинейными элементами в фильтрующих цепях, описанные в книге Максимова М.В., Бобнева М.П., Кривицкого Б.Х., и др. «Защита от радиопомех», изд. «Сов. радио», 1976г., стр. 197 - 202, 209 - 210, 210 - 213.
Недостатками данных устройств является недостаточно высокая эффективность при работе устройств обработки сигналов в условиях быстро изменяющейся помеховой обстановки.
H03G 3/20
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство автоматической регулировки усиления, описанное в патенте № 2022 51 RU, , принятое за прототип.
Структурная схема устройства-прототипа приведена на фиг. 1, где обозначено:
7 - блок оценки мощности;
8.1 - усилитель с регулируемым коэффициентом усиления;
9.1 - 9.n c первого по n-ый компараторы;
12.1 - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).
15 - цифровой интегратор;
16 - преобразователь кодов.
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 8.1 и блок оценки мощности 7, информационные входы c первого 9.1 по n-ый 9.n компараторов подключены к выходу блока оценки мощности 7, опорные входы c первого 9.1 по n-ый 9.n компараторов являются входами пороговых сигналов, последовательно соединенные преобразователь кодов 16, цифровой интегратор 15 и ЦАП 12.1, выход которого соединен с управляющим входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 8.1, входы преобразователя кодов 16, подключены к соответствующим выходам c первого 9.1 по n-ый 9.n компараторов, вход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 8.1 является входом устройства, а его выход является выходом устройства.
Устройство-прототип работает следующим образом.
Оценивают мощность усиленного сигнала в блоке оценки мощности 7. Полученное значение мощности сравнивают с N порогами, которые разбивают динамический диапазон сигнала на N+1 зону. По результатам сравнения устанавливают N-разрядный двоичный код зоны, определяющий, в какой зоне динамического диапазона находится сигнал. Преобразуют N-разрядный двоичный код зоны в M-разрядный двоичный код шага регулирования. Суммируют текущее значение M-разрядного двоичного кода с M-разрядным двоичным кодом, полученным на предыдущем шаге регулирования. В случае если полученный в результате суммирования код выходит за минимальное или максимальное граничное значение, то устанавливают соответственно минимальное или максимальное возможное значение кода. Полученный двоичный код шага регулирования преобразуют в аналоговое напряжение в ЦАП 12.1, с использованием которого регулируют коэффициент усиления соответствующего усилителя 8.1.
Недостатком устройства-прототипа является низкая точность оценки дисперсии смеси помехи и сигнала в условиях воздействия смеси помехи и сигнала большого уровня, значительная длительность временного интервала, необходимая для точного оценивания дисперсии смеси помехи и сигнала и, соответственно, недостаточно высокая эффективность устройства в условиях быстроизменяющейся помеховой обстановки, в том числе в условиях наличия мощных импульсных помех.
Задача - повышение эффективности автоматической регулировки усиления в условиях быстроизменяющейся помеховой обстановки.
Для решения поставленной задачи в систему автоматической регулировки усиления с задержкой сигнала на время оценки мощности смеси сигнала и помехи, содержащую блок оценки мощности, первый цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), выход которого соединен со вторым входом первого усилителя промежуточной частоты (УПЧ), выполненного с возможностью регулирования коэффициента усиления, а также n компараторов, опорные входы которых являются входами для соответствующих пороговых напряжений, согласно изобретению, введены последовательно соединенные усилитель высокой частоты (УВЧ), смеситель, полосовой фильтр (ПФ), разветвитель, блок задержки сигнала, выход которого соединен с первым входом первого УПЧ, выход которого через последовательно соединенные со второго по (n-1) УПЧ соединен с первым входом n-го УПЧ, выход которого является выходом устройства, при этом (n-1) УПЧ выполнены с возможностью регулирования коэффициента усиления; выход гетеродина соединен со вторым входом смесителя; выход блока оценки мощности соединен с первым входом первого вычислительного устройства, n выходов которого соединены с входами соответствующих ЦАП, при этом выходы ЦАП со второго по n-ый соединены со вторыми входами соответствующих УПЧ; первые входы n компараторов и первые входы n электронных ключей объединены и соединены со вторым выходом разветвителя; выходы n компараторов соединены с входами соответствующих n аналого-цифровых преобразователей (АЦП), выходы которых подключены к соответствующим входам второго вычислительного устройства (ВУ), (n+1)-ый выход которого подключен ко второму входу первого ВУ, выходы n электронных ключей соединены с входами соответствующих n усилителей, выходы которых объединены и соединены с входом блока оценки мощности, выполненного с возможностью обеспечения заданной точности измерения за время, не превышающее установленное значение; выходы второго ВУ с первого по n-ый соединены со входами соответствующих ЦАП с (n+1)-го по 2n-ый, выходы которых соединены соответственно со вторыми входами n электронных ключей с первого по n-ый; вход УВЧ является входом устройства; первое ВУ выполнено с возможностью расчета значений управляющих напряжений по измеренному значению амплитуды смеси сигнала и помехи, второе ВУ выполнено с возможностью определения поддиапазона, в котором находится уровень входного напряжения, и формирования управляющего напряжения на соответствующем выходе второго ВУ.
Структурная схема заявляемого устройства приведена на фиг. 2, где обозначено:
1 - усилитель высокой частоты (УВЧ);
2 - смеситель;
3 - полосовой фильтр (ПФ);
4 - разветвитель;
5 - гетеродин;
6 - блок задержки сигнала;
7 - блок оценки мощности;
8.1 - 8.n - с первого по n-ый усилители промежуточной частоты (УПЧ);
9.1 - 9.n - с первого по n-ый компараторы;
10.1 - 10.n - с первого по n-ый аналого-цифровые преобразователи (АЦП);
11.1, 11.2 - первое и второе вычислительные устройства (ВУ);
12.1 - 12.2n - с первого по 2n-ый цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП);
13.1 - 13.n - с первого по n-ый электронные ключи.
14.1 - 14.n - с первого по n-ый логарифмические усилители (ЛУ).
Устройство содержит последовательно соединенные УВЧ 1, смеситель 2, ПФ 3, разветвитель 4, блок задержки сигнала 6, первый УПЧ 8.1, второй УПЧ 8.2, …, n-ый УПЧ 8.n, выход которого является выходом устройства. Выход гетеродина 5 соединен со вторым входом смесителя 2. Последовательно соединенные блок оценки мощности 7 и первое ВУ 11.1, выходы которого соединены с входами соответствующих ЦАП с первого 12.1 по n-ый 12.n, выходы которых соединены со вторыми входами соответствующих УПЧ с первого 8.1 по n-ый 8.n. Первые входы компараторов с первого 9.1 по n-ый 9.n и первые входы электронных ключей с первого 13.1 по n-ый 13.n объединены и соединены со вторым выходом разветвителя 4. Вторые (опорные) входы компараторов с первого 9.1 по n-ый 9.n являются входами для порогового напряжения. Выходы компараторов с первого 9.1 по n-ый 9.n соединены с входами соответствующих АЦП с первого 10.1 по n-ый 10.n, выходы которых соединены с соответствующими входами второго ВУ 11.2. Выходы электронных ключей с первого 13.1 по n-ый 13.n соединены с входами соответствующих ЛУ с первого 14.1 по 14.n, выходы которых объединены и соединены с входом блока оценки мощностей 7. Выходы второго ВУ 11.2 соединены с входами соответствующих ЦАП с (n+1)-го 12.(n+1) по 2n-ый 12.2n, выходы которых соединены со вторыми входами соответствующих электронных ключей с первого 13.1 по n-ый 13.n.
Выход (n+1)-ый второго ВУ 11.2 соединен со вторым входом первого ВУ 11.1. Вход УВЧ 1 является входом устройства. При этом блок задержки сигнала 6 выполнен с возможность задержки сигнала на заданное время; первое ВУ 11.1 выполнено с возможностью расчета значений управляющих напряжений по измеренному значению амплитуды смеси сигнала и помехи;
второе ВУ 11.2 выполнено с возможностью определения поддиапазона, в котором находится уровень входного напряжения.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Входную аддитивную смесь сигнала и помехи усиливают в УВЧ 1, после чего повышают или понижают рабочую частоту до значения промежуточной частоты, на которой осуществляют обработку сигнала, путем умножения входной смеси сигнала и помехи на опорный сигнал, который подают на второй вход смесителя 2 с гетеродина 5. Полученный сигнал фильтруют полосовым фильтром 3. Сигнал с выхода ПФ 3 подают на вход разветвителя 4, где смесь сигнала и помехи разделяют на две составляющие. Значение коэффициента, с которым осуществляют разветвление сигнала, устанавливают заранее по результатам математического моделирования или экспериментальным путем.
иф
Первую составляющую подают в блок задержки сигнала 6, где осуществляют задержку сигнала на заданное время t - время измерения мощности смеси сигнала и помехи и формирования управляющих напряжений.
Вторую составляющую подают на компараторы с первого 9.1 по n-ый 9.n и электронные ключи с первого 13.1 по n-ый 13.n.
Напряжения с выходов компараторов с первого 9.1 по n-ый 9.n подают на входы соответствующих АЦП с первого 10.1 по n-ый 10.n, в которых аналоговые сигналы преобразуют в цифровой вид.
Напряжения в цифровом виде с выходов АЦП с первого 10.1 по n-ый 10.n подают на соответствующие входы второго ВУ 11.2.
За счет использования компараторов с первого 9.1 по n-ый 9.n динамический диапазон сигнала разбивают на (n+1) поддиапазон.
Во втором ВУ 11.2 путем сравнения значений напряжений, поступающих с компараторов с первого 9.1 по n-ый 9.n, определяют поддиапазон, в котором находится уровень входного напряжения, в соответствии с номером которого формируют управляющий сигнал на соответствующем выходе ВУ 11.2.
Поддиапазон, в котором находится уровень входного напряжения, определяют следующим образом.
Определяют компараторы, в которых входной сигнал превысил уровень порогового напряжения. Из этих компараторов, выбирают компаратор с наибольшим уровнем порогового напряжения и соответствующий ему поддиапазон, в котором находится амплитуда входного напряжения.
Сигналы, поступающие на выходы ВУ 11.2, подают на входы ЦАП с (n+1)-го 12.(n+1) по 2n-ый 12.2n, где сигнал преобразуют в аналоговый вид и подают их на вторые входы соответствующих электронных ключей с первого 13.1 по n-ый 13.n.
Данным управляющим сигналом открывают один из n электронных ключей 13.1 - 13.n.
Через один из открытых электронных ключей с первого 13.1 по n-ый 13.n сигнал со второго выхода разветвителя 4 поступает в соответствующий логарифмический усилитель - один из n с первого 14.1 по n-ый 14.n, где его усиливают.
ЛУ с первого 14.1 по n-ый 14.n используют с характеристиками, соответствующими поддиапазонам значений, на которые разбивают динамический диапазон сигнала.
Сигнал, усиленный в одном из ЛУ с первого 14.1 по n-ый 14.n, подают на вход блока оценки мощности 7.
Сигнал в блоке оценки мощности 7 обрабатывают способом, описанным в патенте № RU № 2675386, H04B1/10, а именно, аддитивную смесь сигнала и помехи возводят в квадрат, путем разветвления сигнала на две одинаковые составляющие и их перемножения. Сигнал после возведения в квадрат фильтруют фильтром нижних частот (ФНЧ), полоса которого согласована с полосой сигнала. Одновременно сигнал фильтруют полосовым фильтром, полоса пропускания которого выбирается так, что верхняя частота полосового фильтра соответствует верхней частоте сигнала, нижняя частота полосового фильтра выбирается максимально близкой к нулю. Выбор ФНЧ и полосового фильтра осуществляют с идентичными в максимальной степени фазово-частотными характеристиками друг относительно друга и так, что обеспечивается минимально возможное значение суммы разностей значений амплитудно-частотных характеристик ФНЧ и полосового фильтра, взятых для всех частот. Формируют в цифровом виде, путем преобразования в соответствующих аналого-цифровых преобразователях (АЦП), отсчеты сигналов, прошедших полосовой фильтр и ФНЧ. Данные значения вычитают одно из другого в вычислительном устройстве. Полученные значения суммируют, нормируют относительно числа слагаемых и запоминают.
Полученную величину в цифровой форме подают на первый вход первого ВУ 11.1. На его второй вход с (n+1)-го выхода второго ВУ 11.2 подают номер поддиапазона, на которые разбивают динамический диапазон сигнала.
В первом ВУ 11.1 с использованием рассчитанного значения мощности смеси сигнала и помехи, номера поддиапазона, характеристики соответствующего ЛУ рассчитывают амплитуду входного сигнала следующим образом.
вх
выхк
где: U, U - напряжение на входе устройства и на выходе i-го ЛУ соответственно;
луi
K - коэффициент усиления i-го ЛУ;
рр
K - коэффициент, учитывающий снижение уровня входного сигнала при его разветвлении в разветвителе 4;
р
K - коэффициент, учитывающий снижение уровня входного сигнала при его подаче в компараторы c первого 9.1 по n-ый 9.n и ЛУ c первого 13.1 по n-ый 13.n.
Затем в первом ВУ 11.1 с использованием рассчитанного значения амплитуды входного сигнала определяют уровни управляющих напряжений, которые используют для регулировки коэффициентов усиления УПЧ с первого 8.1 по n-ый 8.n.
Уровни управляющих напряжений, которые используют для регулировки коэффициентов усиления линейного усилителя или линейных усилителей, если используется линейка (каскад) усилителей, могут быть определены следующим образом.
В общем случае, когда используется каскад линейных усилителей, их коэффициенты усиления могут быть определены, например, из зависимостей коэффициентов усиления от значений напряжения суммы сигнала и помехи на входе каскада линейных усилителей, которые установлены заранее методом математического моделирования или экспериментальным путем.
Или, например, коэффициенты усиления могут быть определены, следующим образом.
Для случая использования усилителя с линейной характеристикой выходное напряжение рассчитывают по формуле
вх
где: U - входное напряжение;
у
k - коэффициент усиления усилителя.
Для известных значений входного напряжение и коэффициента усиления усилителя рассчитывают значение выходного напряжение по ф. 1.
Для случая использования n одинаковых усилителей с линейной характеристикой выходное напряжение рассчитывают по формуле
вх
где: U - входное напряжение;
k - коэффициент усиления;
n - число усилителей.
Используя ф. 3 выражение для коэффициента усиления усилителей, можно записать в виде
С использованием зависимостей коэффициента усиления от уровня управляющего напряжения, которые определяются для конкретного типа используемого линейного усилителя, устанавливают значения управляющих напряжений.
иф
Через время t смесь сигнала и помехи подают на вход первого из последовательно соединенных с первого 8.1 по n-ый 8.n УПЧ, где сигнал последовательно усиливают. Усиленную смесь сигнала и помехи подают на выход устройства.
Блок задержки сигнала 6 может быть выполнен в виде линии задержки сигналов.
Блок оценки мощности 7 может быть выполнен в виде устройства, структурная схема которого приведена на фиг. 4, где обозначено:
7.1 - разветвитель;
7.2 - блок умножения;
7.3 - полосовой фильтр (ПФ);
7.4.1, 7.4.2 - первый и второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП);
7.5 -фильтр нижних частот (ФНЧ);
7.6 - вычислительное устройство (ВУ).
Устройство состоит из последовательно соединенных разветвителя 7.1, блока умножения 7.2, ПФ 7.3, первого АЦП 7.4.1 и ВУ 7.6, выход которого является выходом устройства. Второй выход разветвителя 7.1 соединен со вторым входом блока умножения 7.2. Последовательно соединенные ФНЧ 7.5 и второй АЦП 7.4.2, выход которого соединен со вторым входом ВУ 7.6. При этом вход ФНЧ 7.5 подсоединен к выходу блока умножения 7.2. Вход разветвителя 7.1 является входом устройства.
Устройство работает следующим образом.
Аддитивную смесь сигнала и помехи разветвляют в разветвителе 7.1 на две одинаковые составляющие. Эти составляющие перемножают (возводят в квадрат) в блоке умножения 7.2. Сигнал после возведения в квадрат фильтруют ФНЧ 7.5. Одновременно сигнал после возведения в квадрат фильтруют полосовым фильтром 7.3. Сигнал после фильтрации полосовым фильтром 7.3 преобразуют в цифровой вид в первом АЦП 7.4.1, после чего его подают на первый вход ВУ 7.6. Сигнал после фильтрации ФНЧ 7.5 преобразуют в цифровой вид во втором АЦП 7.4.2, после чего его подают на второй вход ВУ 7.6. В ВУ 7.6 данные значения вычитают одно из другого. Полученные значения суммируют, нормируют относительно числа слагаемых и запоминают.
Зависимости точности оценки суммарной мощности сигнала и помехи от времени оценки получены путем математического моделирования.
Моделирование осуществлялось с использованием «Программы оценки эффективности квадратичного обнаружителя с компенсацией комбинационных составляющих в условиях наличия аддитивного белого Гауссовского шума», разработанной в системе MATLAB (Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2018 66 4305).
По результатам оценки установлено, что приемлемая точность оценки может быть получена за время измерения равное четырем - пяти периодам, соответствующим частоте, на которой осуществляют обработку сигнала.
Таким образом, при использовании предлагаемой системы автоматической регулировки усиления с задержкой сигнала на время оценки мощности аддитивной смеси сигнала и помехи, за счет использования в канале оценки мощности смеси сигнала и помехи усилителей с нелинейной характеристикой, например, логарифмических, может быть обеспечен широкий динамический диапазон приемника с сохранением высокой степени линейности усиления сигнала в основном канале.
АЦП с первого 10.1 по n-ый 10.n, АЦП 7.4.1, АЦП 7.4.2 могут быть выполнен, например, на микросхеме AD7495BR фирмы Analog Devices.
Первое 11.1, второе 11.2 вычислительные устройства, вычислительное устройство 7.6 могут быть выполнены, например, в виде единого микропроцессорного устройства с соответствующим программным обеспечением, например, процессора серии TMS320VC5416 фирмы Texas Instruments или в виде программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) с соответствующим программным обеспечением, например, ПЛИС XCV400 фирмы Xilinx.
ЦАП с первого 12.1 по 2n-ый 12.2n могут быть выполнены, например, на микросхеме AD9957BSVZ фирмы Analog Devices.
Блок умножения 7.2 может быть выполнен, например, в виде преобразователя частоты (смесителя), 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. 186 - 189.