АДАПТИВНЫЙ ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ НЕФЛУКТУАЦИОННЫХ ПОМЕХ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в устройствах цифровой обработки сигналов, проходящих по каналам связи, в которых существует возможность искажения сигналов, связанных с наличием в каналах внешних нефлуктуационных помех.
Уровень техники
Как известно, помеха - это любое воздействие, накладывающееся на полезный сигнал и затрудняющее его прием. Помехи весьма разнообразны как по своему происхождению, так и по физическим свойствам [Электронный ресурс: https://koralexand.ru/?page_id=105].
На входе приемника наряду с флуктуационной (шумовой) помехой часто присутствуют и разного рода нефлуктуационные (нешумовые, структурные) помехи, наиболее типичные из которых следующие: гармонический сигнал, фазоманипулированный сигнал, ретранслированный сигнал [Электронный ресурс: https://www.osp.ru/nets/2000/l0/141420#1].
Эффективным способом борьбы с нефлуктуационными помехами в каналах связи является использование адаптивных фильтров (АФ), обычно реализуемых как нерекурсивные цифровые фильтры с регулируемыми весовыми коэффициентами (ВК), включаемых на входе демодулятора сигнала.
Элемент выходной последовательности нерекурсивного фильтра длиной N в пространстве комплексных огибающих можно записать следующим образом
i
i
i-1
i-N+1
Т
где X=[x, x,…x] - вектор последовательности входных отсчетов;
- вектор ВК в i-й момент времени; т - символ транспонирования.
При одинаковой структуре фильтры такого типа отличаются способами настройки вектора ВК, направленными на минимизацию заданной целевой функции.
Из уровня техники [авторское свидетельство SU 1707740 А1, опубл. 23.01.1992] известен цифровой нерекурсивный фильтр, который включает регистр задержки, семнадцать блоков регистраторов задержки, шестнадцать сумматоров и вычислитель, соединенные с соответствующей коммутацией двоичных разрядов.
Недостатком известного устройства является то, что в нем отсутствует возможность адаптации к параметрам сигнала, то есть фильтр использует изначально заданные параметры коррекции сигнала, не зависящие от изменений параметров помех.
Из уровня техники [патент RU 99623 U1, опубл. 20.11.2010] известен адаптивный фильтр сигнала, состоящий из блока вводного устройства, блока контура адаптации, блока компенсатора динамической ошибки и блока идентификатора. Блоки данного устройства, по средствам входящих в них электрических и/или электронных элементов, реализуют принцип фильтрации скалярного сообщения с блоком идентификации дисперсии случайной помехи, позволяющий компенсировать априорно неизвестный поток помех обрабатываемого сигнала, обусловленных априорно неизвестным потоком погрешностей измерений, и/или погрешностью состояния источника сигнала, и/или внешними шумами.
Недостатком известного устройства является то, что оно осуществляет фильтрацию только шумовых помех, и в нем невозможна фильтрация нефлуктуационных помех.
Из уровня техники [авторское свидетельство SU 1764145 А1, опубл. 23.09.1992] известен адаптивный фильтр, содержащий два цифровых фильтра, сумматор, пороговый блок, блок задания весовых коэффициентов, источник единичного сигнала, блок деления, служащий для выделения постоянной составляющей тока или напряжения в условиях переходного процесса.
Недостатком такого устройства является невозможность выделения переменного тока или напряжения на фоне нефлуктуационных помех.
Из уровня техники [Treichler J.R. et ah A new approach to multipath correction of constant modulus signals / IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, 1983, V. 31, N. 2, pp. 459-472] известен адаптивный фильтр, осуществляющий подавление нефлуктуационных помех, ориентированный на прием сигналов с постоянной огибающей. Он содержит первую и вторую линии задержки, состоящие из последовательно соединенных элементов задержки, перемножители выходных сигналов первой линии задержки с весовыми коэффициентами, выходы которых соединены с входами сумматора, выход которого является выходом устройства и одновременно - входом схемы адаптивной подстройки весовых коэффициентов, состоящей из блока вычисления модуля, вычитателя, блока усиления, перемножителей с выходными сигналами второго регистра и интеграторов.
Недостатком этого устройства является невозможность подавления нефлуктуационных помех, имеющих, как и полезный сигнал, постоянную огибающую.
Наиболее близким по технической сущности аналогом (прототипом предлагаемой полезной модели) [патент RU 194496 U1, опубл. 12.12.2019] является адаптивный фильтр, содержащий: преобразователь комплексной огибающей сигнала в комплексно сопряженную огибающую; первый регистр задержки, состоящий из последовательно соединенных первого, второго, третьего элементов задержки; второй регистр задержки, состоящий из последовательно соединенных четвертого, пятого, шестого элементов задержки; первый, второй и третий перемножители выходных сигналов первого регистра задержки с весовыми коэффициентами; первый сумматор; первый, второй и третий интеграторы; пятый, шестой и седьмой перемножители выходных сигналов второго регистра задержки с сигналом схемы адаптивной подстройки весовых коэффициентов, состоящей из блока вычисления производной, блока вычисления модуля, первого сумматора и четвертого перемножителя.
В ближайшем аналоге для подстройки вектора весовых коэффициентов нерекурсивного фильтра используется метод, реализующий процедуру:
где d1 - коэффициент, определяющий степень инерционности и устойчивость процесса
i
адаптации; y - дискретные отсчеты комплексной огибающей; (⋅)' - знак производной; G - модуль производной информационной составляющей фазы (наклон фазового импульса) сигнала; (⋅)* - знак комплексного сопряжения.
В результате работы адаптивного фильтра (АФ) происходит выравнивание фазовой траектории полезного сигнала и, как следствие, уменьшение влияния помехи на сигнал.
Недостатком устройства-прототипа является тот факт, что выравнивается только фазовая траектория сигнала, но не выравнивается его огибающая, которая тоже искажается вследствие помехового воздействия, а значит, точность подавления помехи ограничена.
Раскрытие сущности полезной модели
Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение точности фильтрации нефлуктуационных помех с учетом известной информации как о фазовой структуре сигнала, так и о его постоянной огибающей, отличных от фазовой и амплитудной структуры помех.
Технический результат, который достигается в предлагаемой полезной модели, заключается в снижении уровня нефлуктуационных помех на выходе адаптивного цифрового фильтра за счет обеспечения возможности реализации метода настройки вектора весовых коэффициентов с учетом известной информации о фазовой структуре сигнала (форме фазового импульса) и его постоянной амплитуде, в результате чего происходит подавление нефлуктуационных помех, имеющих отличную от сигнала фазовую и амплитудную структуру, и повышается точность фильтрации.
Поставленная техническая задача решается и технический результат достигается тем, что адаптивный цифровой фильтр для подавления нефлуктуационных помех, содержащий первый преобразователь комплексной огибающей сигнала в комплексно сопряженную огибающую; первый регистр задержки, состоящий из последовательно соединенных первого, второго, третьего элементов задержки; второй регистр задержки, состоящий из последовательно соединенных четвертого, пятого, шестого элементов задержки; первый, второй и третий перемножители выходных сигналов первого регистра задержки с весовыми коэффициентами; первый сумматор; первый, второй и третий интеграторы; пятый, шестой и седьмой перемножители выходных сигналов второго регистра задержки с сигналом первой схемы адаптивной подстройки весовых коэффициентов, состоящей из последовательно соединенных блока вычисления производной, первого блока вычисления модуля, второго сумматора с напряжением -G и четвертого перемножителя с напряжением -d1, согласно заявляемой полезной модели, включает второй преобразователь комплексной огибающей сигнала в комплексно сопряженную огибающую, вход которого соединен с выходом первого сумматора и с входом третьего регистра задержки, состоящего из последовательно соединенных седьмого, восьмого, девятого элементов задержки, выходы которых соединены с первыми входами восьмого, девятого и десятого перемножителей выходных сигналов третьего регистра задержки с весовыми коэффициентами, при этом выходы указанных перемножителей соединены с входами третьего сумматора, выход которого является выходом устройства и одновременно - входом второй схемы адаптивной подстройки весовых коэффициентов, содержащей последовательно соединенные второй блок вычисления модуля, блок возведения в квадрат, четвертый сумматор, на второй вход которого подается постоянное напряжение -1, а выход соединен с входом одиннадцатого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом третьего сумматора, а третий вход предназначен для подачи постоянного напряжение -d2, определяющего степень инерционности и устойчивость процесса адаптации, причем выход одиннадцатого перемножителя соединен с первыми входами двенадцатого, тринадцатого и четырнадцатого перемножителей с выходными сигналами четвертого регистра задержки, на вторые входы которых поступают выходные сигналы соответствующих последовательно соединенных десятого, одиннадцатого, двенадцатого элементов задержки четвертого регистра задержки, при этом вход четвертого регистра задержки соединен с выходом второго преобразователя комплексной огибающей сигнала в комплексно сопряженную огибающую, а выходы двенадцатого, тринадцатого и четырнадцатого перемножителей с выходными сигналами четвертого регистра задержки соединены через четвертый, пятый и шестой интеграторы со вторыми входами восьмого, девятого и десятого перемножителей выходных сигналов третьего регистра задержки с весовыми коэффициентами.
Краткое описание чертежей
Сущность полезной модели поясняется следующими чертежами: на фиг. 1 представлена структурная схема заявляемого адаптивного цифрового фильтра для подавления нефлуктуационных (нешумовых, структурных) помех; на фиг. 2 представлены зависимости вероятности ошибки при приеме сигнала на фоне гармонической помехи.
Чертеж на фиг. 1 содержит следующие позиции:
1 - первый преобразователь комплексной огибающей сигнала в комплексно сопряженную огибающую;
2, 3, 4 - первый, второй, третий элементы задержки первого регистра задержки;
5, 6, 7 - первый, второй, третий перемножители выходных сигналов первого регистра задержки с весовыми коэффициентами;
8 - первый сумматор;
9 - блок вычисления производной;
10- первый блок вычисления модуля;
11 - второй сумматор;
12 - четвертый перемножитель;
13, 14, 15 - первый, второй и третий интеграторы;
16, 17, 18 - пятый, шестой, седьмой перемножители выходных сигналов второго регистра задержки с сигналом первой схемы адаптивной подстройки весовых коэффициентов;
19, 20, 21 - четвертый, пятый, шестой элементы задержки второго регистра задержки.
22 - второй преобразователь комплексной огибающей сигнала в комплексно сопряженную огибающую;
23, 24, 25 - седьмой, восьмой, девятый элементы задержки третьего регистра задержки;
26, 27, 28 - восьмой, девятый, десятый перемножители выходных сигналов третьего регистра задержки с весовыми коэффициентами;
29 - третий сумматор;
30 - второй блок вычисления модуля;
31 - блок возведения в квадрат;
32 - четвертый сумматор;
33 - одиннадцатый перемножитель;
34, 35, 36 - четвертый, пятый и шестой интеграторы;
37, 38, 39 - двенадцатый, тринадцатый, четырнадцатый перемножители с выходными сигналами четвертого регистра задержки;
40, 41, 42 - десятый, одиннадцатый, двенадцатый элементы задержки четвертого регистра задержки.
Осуществление полезной модели
Адаптивный цифровой фильтр нефлуктуационных помех (фиг. 1) содержит первый преобразователь комплексной огибающей сигнала в комплексно сопряженную огибающую 1, вход которого является входом устройства, причем этот вход соединен с входом первого регистра задержки, состоящего из последовательно соединенных первого, второго, третьего элементов задержки первого регистра задержки 2, 3, 4, выходы которых соединены с первыми входами первого, второго, третьего перемножителей выходных сигналов первого регистра задержки с весовыми коэффициентами 5, 6, 7. Выходы этих перемножителей 5, 6, 7 соединены с входами первого сумматора 8, выход которого соединен с входом второго преобразователя комплексной огибающей сигнала в комплексно сопряженную огибающую 22, входом третьего регистра задержки и одновременно - с входом первой схемы адаптивной подстройки весовых коэффициентов, содержащей последовательно соединенные блок вычисления производной 9, первый блок вычисления модуля 10, второй сумматор 11, на второй вход которого подается постоянное напряжение -G, пропорциональное производной фазового импульса сигнала, а выход соединен с входом четвертого перемножителя 12, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора 8, а на третий вход подается постоянное напряжение -d1, определяющее степень инерционности и устойчивость процесса адаптации. Причем выход четвертого перемножителя 12 соединен с первыми входами пятого, шестого, седьмого перемножителей выходных сигналов второго регистра задержки с сигналом первой схемы адаптивной подстройки весовых коэффициентов 16, 17, 18, на вторые входы которых поступают выходные сигналы соответствующих последовательно соединенных четвертого, пятого, шестого элементов задержки второго регистра задержки 19, 20, 21, при этом вход второго регистра задержки соединен с выходом первого преобразователя комплексной огибающей сигнала в комплексно сопряженную огибающую 1, а выходы пятого, шестого, седьмого перемножителей выходных сигналов второго регистра задержки с сигналом первой схемы адаптивной подстройки весовых коэффициентов 16, 17, 18 соединены через первый, второй и третий интеграторы 13, 14, 15 со вторыми входами перемножителей выходных сигналов первого регистра задержки с весовыми коэффициентами 5, 6, 7. При этом вход второго преобразователя комплексной огибающей сигнала в комплексно сопряженную огибающую 22 соединен с входом третьего регистра задержки, состоящего из последовательно соединенных седьмого, восьмого, девятого элементов задержки 23, 24, 25, выходы которых соединены с первыми входами восьмого, девятого, десятого перемножителей выходных сигналов третьего регистра задержки с весовыми коэффициентами 26, 27, 28. Выходы этих перемножителей 26, 27, 28 соединены с входами третьего сумматора 29, выход которого является выходом устройства и одновременно - входом второй схемы адаптивной подстройки весовых коэффициентов, содержащей последовательно соединенные второй блок вычисления модуля 30, блок возведения в квадрат 31, четвертый сумматор 32, на второй вход которого подается постоянное напряжение -1, а выход соединен с входом одиннадцатого перемножителя 33, второй вход которого соединен с выходом третьего сумматора 29, а на третий вход подается постоянное напряжение -d2, определяющее степень инерционности и устойчивость процесса адаптации. Причем выход одиннадцатого перемножителя 33 соединен с первыми входами двенадцатого, тринадцатого, четырнадцатого перемножителей с выходными сигналами четвертого регистра задержки 37, 38, 39, на вторые входы которых поступают выходные сигналы соответствующих последовательно соединенных десятого, одиннадцатого, двенадцатого элементов задержки четвертого регистра задержки 40, 41, 42, при этом вход четвертого регистра задержки соединен с выходом второго преобразователя комплексной огибающей сигнала в комплексно сопряженную огибающую 22, а выходы двенадцатого, тринадцатого, четырнадцатого перемножителей с выходными сигналами четвертого регистра задержки 37, 38, 39 соединены через четвертый, пятый и шестой интеграторы 34, 35, 36 со вторыми входами перемножителей выходных сигналов третьего регистра задержки с весовыми коэффициентами 26, 27, 28.
Работа устройства основана на использовании известных данных о форме фазового импульса и постоянной огибающей принимаемого сигнала.
Заявляемое устройство последовательно реализует два способа подстройки векторов весовых коэффициентов:
первый - контролирующий форму фазового импульса принимаемого сигнала в соответствии с уравнением:
где d1 - коэффициент, определяющий степень инерционности и устойчивость первого процесса адаптации, при этом минимизируется целевой функционал , где М{⋅} - знак математического усреднения;
второй - контролирующий постоянную огибающую принимаемого сигнала:
i
2
2
где d2 - коэффициент, определяющий степень инерционности и устойчивость второго процесса адаптации, при этом минимизируется целевой функционал М{(|z|-1)}.
В результате работы АФ происходит выравнивание фазового импульса и огибающей принимаемого сигнала и, как следствие, уменьшение влияния помехи и повышение точности фильтрации.
i
i
i
i
1
Входные дискретные отсчеты комплексной огибающей x поступают на вход первого регистра задержки, состоящего из последовательно соединенных первого, второго и третьего элементов задержки 2, 3, 4, а с их выходов поступают на входы перемножителей выходных сигналов первого регистра задержки с весовыми коэффициентами 5, 6, 7 вектора отсчетов X с весовыми коэффициентами W, формируемыми первым, вторым и третьим интеграторами 13, 14, 15. Сигналы с выходов перемножителей выходных сигналов первого регистра задержки с весовыми коэффициентами 5, 6, 7 поступают на входы первого сумматора 8, выход которого является выходом устройства. Эта структура представляет собой нерекурсивный фильтр, реализующий процедуру подстройки вектора весовых коэффициентов, контролирующую форму фазового импульса принимаемого сигнала, и формирующий отсчеты сигнала y.
1
i
В процессе адаптации происходит коррекция весовых коэффициентов W в соответствии с уравнением (I). Для этого выходной сигнал адаптивного цифрового фильтра дифференцируется блоком вычисления производной 9, затем вычисляется модуль производной в первом блоке вычисления модуля 10, и сигнал подается на второй сумматор 11, на второй вход которого подается постоянное напряжение -G, пропорциональное производной фазового импульса сигнала. Это позволяет сравнить текущую величину наклона фазового импульса сигнала с идеальной априорно заданной величиной G.
i
i
При наличии в канале связи нефлуктуационных (нешумовых, структурных) помех эти величины будут отличаться, и второй сумматор 11 сформирует управляющее напряжение, пропорциональное их разности, которое будет использовано для подстройки вектора весовых коэффициентов в соответствии с уравнением (I). Для этого сигнал с выхода второго сумматора 11 подается на вход четвертого перемножителя 12, на второй вход поступает сигнал адаптивного фильтра y, а на третий вход подается постоянное напряжение -d1, определяющее степень инерционности и устойчивость первого процесса адаптации. Далее происходит перемножение вектора отсчетов комплексно сопряженной огибающей X*, задержанных во втором регистре задержки на четвертом, пятом, шестом элементах задержки 19, 20, 21:
i
i
i-1
i-N+1
X*=[x*,x*,…x*].
в пятом, шестом, седьмом перемножителях выходных сигналов второго регистра задержки с сигналом первой схемы адаптивной подстройки весовых коэффициентов 16, 17, 18.
1
i+1
Выходные сигналы пятого, шестого, седьмого перемножителей выходных сигналов второго регистра задержки с сигналом первой схемы адаптивной подстройки весовых коэффициентов 16, 17, 18 поступают на входы первого, второго и третьего интеграторов 13,14,15, осуществляющих коррекцию вектора весовых коэффициентов W.
i
i
i
i
2
Далее дискретные отсчеты y поступают на вход третьего регистра задержки, состоящего из последовательно соединенных седьмого, восьмого, девятого элементов задержки 23, 24, 25, а с их выходов поступают на входы восьмого, девятого, десятого перемножителей выходных сигналов третьего регистра задержки с весовыми коэффициентами 26, 27, 28 вектора отсчетов Y с весовыми коэффициентами W, формируемыми четвертым, пятым и шестым интеграторами 34, 35, 36. Сигналы с выходов восьмого, девятого, десятого перемножителей выходных сигналов третьего регистра задержки с весовыми коэффициентами 26, 27, 28 поступают на входы третьего сумматора 29, выход которого является выходом устройства. Эта структура представляет собой нерекурсивный фильтр, реализующий процедуру подстройки вектора весовых коэффициентов, контролирующую постоянную огибающую принимаемого сигнала, и формирующий отсчеты сигнала z.
2
i
В процессе адаптации происходит коррекция весовых коэффициентов W в соответствии с уравнением (II). Для этого во втором блоке вычисления модуля 30 вычисляется модуль выходного сигнала адаптивного цифрового фильтра, который затем возводится в квадрат в блоке возведения в квадрат 31, и сигнал подается на четвертый сумматор 32, на второй вход которого подается постоянное напряжение -1. Это позволяет сравнить текущую величину огибающей сигнала с идеальной постоянной величиной 1.
i
i
При наличии в канале связи нефлуктуационных (нешумовых, структурных) помех эти величины будут отличаться, и четвертый сумматор 32 сформирует управляющее напряжение, пропорциональное их разности, которое будет использовано для подстройки вектора весовых коэффициентов в соответствии с уравнением (II). Для этого сигнал с выхода четвертого сумматора 32 подается на вход одиннадцатого перемножителя 33, на второй вход поступает выходной сигнал адаптивного фильтра z, а на третий вход подается постоянное напряжение -d2, определяющее степень инерционности и устойчивость второго процесса адаптации. Сформированный таким образом сигнал перемножается в двенадцатом, тринадцатом, четырнадцатом перемножителях с выходными сигналами четвертого регистра задержки 37, 38, 39 с вектором отсчетов комплексно сопряженной огибающей Y*, задержанных в четвертом регистре задержки на элементах задержки 40, 41, 42:
i
i
i-1
i-N+1
Y*=[y*,y*,…,y*].
2
i+1
Выходные сигналы двенадцатого, тринадцатого, четырнадцатого перемножителей с выходными сигналами второго регистра задержки 37, 38, 39 поступают на входы четвертого, пятого и шестого интеграторов 34, 35, 36, осуществляющих коррекцию вектора весовых коэффициентов W.
На фиг. 2 представлены зависимости вероятности Ре ошибочного приема фазоманипулированного сигнала на фоне гармонической помехи с относительной интенсивностью μ=0,9. Сплошная линия соответствует заявленному устройству, верхняя штриховая линия построена без адаптивного фильтра, средняя штриховая соответствует устройству-аналогу (прототипу). Эффект от использования заявленного устройства в отношении сигнал/шум достигает 3 дБ при вероятности ошибки Ре=0,01.