ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СТОХАСТИЧЕСКОГО ШИРОКОПОЛОСНОГО ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННОГО СИГНАЛА

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в радиосвязи, в частности, в радиоприемных устройствах широкополосного фазоманипулированного сигнала (ШПФМС), пораженного в канале распространения флуктуационными шумами и сосредоточенными по спектру и времени помехами. Предлагаемое устройство преобразует параметры входного сигнала приемника ШПФМС таким образом, чтобы обеспечить условия приема, близкие к оптимальному режиму.
Приемники ШПФМС проектируются, как правило, таким образом, чтобы они обеспечивали требуемый уровень качества принимаемой информации для априорно заданных: полезного сигнала, условий распространения в канале связи и вида сопровождающих шумов и помех. Стандартные априорные условия, для которых удается в полном объеме выполнить синтез оптимального приемника ШПФМС и реализовать его на практике описаны в [Тузов Г.И. Статистическая теория приема сложных сигналов / Г.И. Тузов. - М.: «Сов. радио», 1977. - 400 с. и др.]. При этом предполагается, что передаваемые сообщения гауссовы, и они медленно изменяются (квазистационарны) во времени по сравнению с сопутствующими или паразитными параметрами сигнала. Считается что, исследуемые полезные сигналы и помехи являются аддитивно смешанными стационарными случайными процессами, имеющими различные функции корреляции. Дополнительно вводятся требования о физической реализуемости искомой оптимальной системы и ее линейности.
Однако реально стандартные априорные условия встречаются редко. В то же время, большое значение для практического использования имеет решение задачи квазиоптимального приема широкополосных сигналов (ШПС) на фоне мощных сосредоточенных по спектру и времени помех и белого гауссовского шума.
Стандартные априорные условия достигаются в результате приведения спектра помехи с неравномерной спектральной плотностью мощности к помехе с равномерным спектром [Котельников В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости / В.А. Котельников. - М.: «Госэнергоиздат», 1956. - 150 с.]. При таком преобразовании обеспечивается возможность оптимальной обработки полученной смеси полезного сигнала и помехи фильтром, согласованным с преобразованным полезным сигналом. Для реализации данной процедуры часто используют многоканальные квазиоптимальные выравниватели спектра, известные как блоки защиты (БЗ) в виде N параллельных частотных каналов [Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами / Л.Е. Варакин. - М.: Радио и связь, 1985. - 384 с; Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью / В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, Н.П. Мухин, Г.С. Нахмансон: Под ред. В.И. Борисова. - М.: Радио и связь, 2003. - 640 с., С. 69 и др.].
В этом случае для оптимальной обработки широкое распространение получили субоптимальные приемники широкополосного сигнала, включающие устройства защиты от сосредоточенных помех. При этом предполагается, что в приемниках ШПС реализуется режим линейной обработки входного сигнала для стандартных априорных условий [Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью / В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, Н.П. Мухин, Г.С. Нахмансон: Под ред. В.И. Борисова. - М.: Радио и связь, 2003. - 640 с., С. 69.]. По этой причине для обеспечения наилучших характеристик приема ШПС в реальных условиях требуется обеспечить наиболее близкие к стандартным априорные характеристики на входе приемника ШПС, дающие возможность дальнейшей субоптимальной линейной обработки преобразованного входного сигнала с равномерным спектром.
Для решения этой задачи, во-первых, необходимо обеспечить качественный прием и обработку в приемнике ШПС, когда амплитуда входного сигнала изменяется в большом динамическом диапазоне. Во-вторых, необходимо дополнительно решить задачу выравнивания спектра помехи в смеси входного сигнала приемника.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству в части обеспечения динамического диапазона входного сигнала в границах апертуры линейного режима и предотвращения перегрузки усилительных каскадов приемника ШПС является типовая аналоговая система автоматической регулировки усиления (АРУ) с обратной связью (ОС)  [Кривицкий Б.Х., Салтыков Е.Н. Системы автоматического регулирования усиления / Б.Х. Кривицкий, Е.Н. Салтыков. - М.: Радио и связь, 1982. - 192 с., С. 8, рис. 1.3.], которая получила наибольшее распространение на практике и принята в качестве прототипа.
Следует отметить, что преимущество данного вида системы АРУ заключается в том, что сигнал управления формируется в цепи обратной связи с учетом внутренних искажений его уровня, что обеспечивает высокую стабильность выходных параметров.
На фиг. 1а приведена общая структурная схема устройства-прототипа, где обозначено:
1.1 - усилитель с регулируемым усилением;
2.1 - цепь обратной связи.
p
На фиг. 1б представлена функциональная схема прототипа. В радиоприемных устройствах усилитель с регулируемым усилением 1.1 (фиг. 1б) может состоять из одного или нескольких узлов с суммарным регулируемым коэффициентом передачи K(u(t)) - узел 1.1.1, одного или нескольких узлов преобразователя частоты и усилителей с постоянными коэффициентами усиления: в данном случае эти узлы включены в узел 1.1.2. Структура усилителя 1.1 зависит от общих требований к полосе пропускания, коэффициенту прямоугольности, амплитудно-частотной характеристике (АЧХ), равномерности АЧХ, линейности фазовой характеристики и других характеристик приемника.
p
Цепь обратной связи 2.1 типовой системы АРУ формирует аналоговый сигнал управления усилением u(t) и в данном случае содержит: усилители постоянного тока (УПТ) 2.1.1, 2.1.4, цепь задержки 2.1.2, фильтр низкой частоты (ФНЧ) 2.1.3 и детектор АРУ 2.1.5.
вых
вых
з
p
р
з
Выходным сигналом системы АРУ u(t) является аналоговый сигнал на выходе усилителя с регулируемым усилением 1.1. Путем сравнения сигнала u(t) с уровнем напряжения задержки АРУ Е с выхода узла задержки 2.1.2 на выходе детектора АРУ 2.1.5 формируют их разность. По разностному сигналу в цепи обратной связи АРУ 2.1 в узлах: 2.1.1, 2.1.2, 2.1.3, 2.1.4 формируют напряжение регулирования u(t), изменение которого приводит к управлению коэффициентом усиления К(u(t)) регулируемого усилителя 1.1. Таким образом, по реакции на выходе системы АРУ через цепь обратной связи выполняется опосредованное воздействие на входное возмущение, и осуществляется управление его уровнем по отношению к уровню напряжения задержки Е [Тартаковский Г.П. Динамика систем автоматической регулировки усиления / Г.П. Тартаковский. - М.: ГЭИ (Государственное Энергетическое Издательство), 1957. - 191 с.]. Следует отметить, что описание работы типовой аналоговой системы АРУ с обратной связью и цепью задержки достаточно подробно выполнено в [Кривицкий Б.Х., Салтыков Е.Н. Системы автоматического регулирования усиления / Б.Х. Кривицкий, Е.Н. Салтыков. - М.: Радио и связь, 1982. - 192 с., С.5-22.].
Недостатком устройства-прототипа является невозможность в полной мере обеспечить максимальное приближение реальных априорных характеристик к стандартным характеристиками входного ШПФМС приемника, которые необходимы для реализации квазиоптимального режима обработки. Указанный недостаток заключается в том, что устройство-прототип не решает одну из основных задач - очищение входного ШПФМС приемника от аддитивных шумов и сосредоточенных по спектру и времени помех и выравнивание спектральной плотности мощности полученного сигнала. По этой причине в результате невозможно получить близкие к оптимальным выходные характеристики приемника ШПФМС.
Задача предлагаемого технического решения заключается в обеспечении на входе приемника ШПФМС стабильного по уровню и очищенного от аддитивных шумов и сосредоточенных помех сигнала со спектральной плотностью мощности, близкой к равномерной.
Для решения поставленной задачи в устройство, содержащее один канал, состоящий из последовательно соединенных узла усилителя с регулируемым коэффициентом передачи и узла преобразователя частоты, выход которого через цепь обратной связи аналоговой системы АРУ соединен с управляемым входом узла усилителя с регулируемым коэффициентом передачи, сигнальный вход которого является входом устройства, согласно полезной модели, введен второй канал аналогичный первому, при этом к выходу узла преобразователя частоты каждого канала подключены соответствующие последовательно соединенные узел аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и узел цифрового блока защиты (ЦБЗ), первый выход которого является выходом соответствующего канала, а вторые входы каждого узла преобразователя частоты являются входами сигнала внешнего гетеродина, кроме того, между узлами ЦБЗ обоих каналов осуществлена двунаправленная связь.
Таким образом, предлагается использовать устройство двухканальной типовой системы аналоговой АРУ, по выходу которой в оба канала введены: узел аналого-цифрового преобразователя, устройство цифрового блока защиты и необходимые функциональные связи.
При этом выбор компромиссного варианта структуры предлагаемого технического решения обосновывается динамическими характеристиками комплектующих компонент устройства и значениями допустимых потерь качества принимаемой информации при обработке.
Такой подход позволяет для различных условий эксплуатации выбрать соответствующую структуру и получить выходные характеристики сигнала устройства (входного сигнала приемника ШПС), близкие к требуемым.
Предлагаемая полезная модель предназначена для случая, когда по объективным причинам используются комплектующие компоненты, динамического диапазона изменения характеристик которых недостаточно для представления входного сигнала приемника ШПФМС с необходимой точностью (в рамках допустимых искажений). Например, недостаточная тактовая частота и разрядность АЦП и др.
Как правило, в этом случае для решения поставленной задачи требуется вводить и учитывать дополнительные средства обработки, например, использовать новый отдельный узел переноса частоты обрабатываемого сигнала на меньшую промежуточную частоту (ПЧ) и др.
На фиг. 2а представлена общая структурная схема предлагаемой полезной модели, где обозначено:
2.1, 2.2 - цепь обратной связи аналоговой системы АРУ первого и второго канала;
1.1.1, 1.2.1 - узел усилителя с регулируемым коэффициентом передачи первого и второго канала;
1.1.2, 1.2.2 - узел преобразователя частоты первого и второго канала;
10-1, 10-2 - узел аналого-цифрового преобразователя (АЦП) первого и второго канала;
11-1, 11-2 - узел цифрового блока защиты (ЦБЗ) первого и второго канала.
На фиг. 2б, 2в представлены структурные схемы ЦБЗ соответственно первого и второго канала, где обозначено:
11-1-1, 11-2-1 - узлы формирования рабочей полосы первого и второго канала соответственно;
11-1-2, 11-2-2 - узлы адаптивной компенсации помех первого и второго канала соответственно;
11-1-3, 11-2-3 - узлы анализа и компенсации сосредоточенных по спектру помех первого и второго канала соответственно;
11-1-4, 11-2-4 - узлы анализа и компенсации импульсных помех первого и второго канала соответственно;
11-1-5, 11-2-5 - узлы согласования первого и второго канала соответственно.
Предлагаемое устройство состоит из двух однотипных параллельных каналов обработки сигналов. Каждый из каналов содержит последовательно соединенные узел усилителя с регулируемым коэффициентом передачи 1.1.1 (1.2.1), узел преобразователя частоты 1.1.2 (1.2.2), узел аналого-цифрового преобразователя 10-1 (10-2) и узел цифрового блока защиты 11-1 (11-2), выход которого является выходом устройства и соединен с соответствующими входами приемника ШПФМС. Выход узла преобразователя частоты 1.1.2 (1.2.2) дополнительно через цепь обратной связи 2.1 (2.2) системы АРУ соединен с соответствующим регулируемым входом узла усилителя с регулируемым коэффициентом передачи 1.1.1 (1.2.1), сигнальный вход которого соединен с соответствующим выходом антенной системы. Второй вход узла преобразователя частоты 1.1.2 (1.2.2) соединен с выходом внешнего гетеродина.
Цифровой блок защиты 11-1 первого и 11-2 второго каналов предлагаемого устройства выполнены аналогично ЦБЗ, описанным в следующих источниках информации: Патент на изобретение РФ №2539573 «Способ адаптивного и согласованного подавления флуктуационных шумов и сосредоточенных помех и устройство для его реализации», H04B 1/10, 05.12.2014 г.; Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013616030 от 25.06.2013 г.
ЦБЗ состоит из последовательно соединенных узла формирования рабочей полосы 11-1-1 (11-2-1), узла адаптивной компенсации помех 11-1-2 (11-2-2), узла анализа и компенсации сосредоточенных по спектру помех 11-1-3(11-2-3), узла анализа и компенсации импульсных помех 11-1-4(11-2-4) и узла согласования 11-1-5 (11-2-5), выход которого является первым выходом ЦБЗ соответствующего канала. Вход узла формирования рабочей полосы 11-1-1 (11-2-1) является первым входом ЦБЗ. Кроме того, между узлами адаптивной компенсацией помех обоих каналов 11-1-2(11-2-2) осуществлена двунаправленная связь.
При этом предполагается, что для формирования входного сигнала каналов данного устройства используется, например, система из двух антенн, диаграммы направленности которых имеют форму «восьмерок» [Хомич В.И. Приемные ферритовые антенны / В.И. Хомич. - М: Государственное энергетическое издательство, 1963. - 63 с. С. 26-29.] и ориентированы под прямым углом относительно друг друга. В результате этого осуществляется процедура пространственной селекции и разнесения. Данная процедура выполняется для формирования проекций входного сигнала на направления диаграмм направленности этих антенн. Далее проекции входного сигнала используются в качестве входных сигналов для первого и второго каналов предлагаемого устройства и применяются для реализации процедуры адаптивной компенсации помех в узлах 11-1-2 (11-2-2) ЦБЗ [Патент на изобретение РФ №2539573 H04B 1/10, 05.12.2014 г.; Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013616030 от 25.06.2013 г.; Уидроу Б., Стирнз С.Адаптивная обработка сигналов / Б. Уидроу, С. Стирнз: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1989. - 440 с.].
ГET
Предлагаемая полезная модель использует как аналоговый, так и цифровой режим обработки сигнала и работает следующим образом. На первые сигнальные входы узлов усилителей с регулируемым коэффициентом передачи 1.1.1 и 1.2.1 соответственно первого и второго каналов полезной модели с выходов антенной системы поступают соответствующие аналоговые широкополосные радиосигналы. Аналоговый сигнал управления коэффициентом передачи соответствующего узла усилителя с регулируемым коэффициентом передачи 1.1.1 и 1.2.1 первого и второго каналов формируется из выходного сигнала соответствующего узла преобразователя частоты 1.1.2, 1.2.2 соответственно первого и второго каналов и через соответствующую цепь обратной связи 2.1 и 2.2 соответственно первого и второго каналов аналоговой системы АРУ поступает на управляемый вход соответствующего узла усилителя с регулируемым коэффициентом передачи 1.1.1 и 1.2.1 соответственно первого и второго каналов. При этом предварительно выполняют выбор параметров устройства, в данном случае: уровень напряжения задержки Е и величину частоты внешнего гетеродина F, которые обеспечивают отсутствие перегрузки узлов аналого-цифрового преобразователя 10-1 и 10-2 соответственно первого и второго каналов и необходимый стабильный уровень очищенного от аддитивных шумов и сосредоточенных помех сигнала на входе приемника ШПФМС. Для реализации цифрового режима обработки сигнала в ЦБЗ используется узел аналого-цифрового преобразователя 10-1 и 10-2 соответственно первого и второго каналов, в котором выполняется преобразование в цифровую форму аналогового сигнала с выходов узлов преобразователя частоты 1.1.2 и 1.2.2 первого и второго каналов соответственно. Последовательность операций при обработке сигнала в ЦБЗ 11-1 (11-2) аналогична изложенной в патенте на изобретение РФ №2539573 «Способ адаптивного и согласованного подавления флуктуационных шумов и сосредоточенных помех и устройство для его реализации», H04B 1/10; Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013616030, 25.06.2013 г.
Следует отметить, что в узлах цифрового блока защиты первого и второго каналов заявляемой полезной модели в большей степени используются цифровые сигналы. Вследствие этого для их обработки наряду с аппаратными целесообразнее использовать программные и вычислительные средства. Это позволяет для реализации цифрового блока защиты применять высокопроизводительные специализированные цифровые сигнальные процессоры (digital signal processor (DSP)) и быстродействующие программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС, Field Programmable Gate Array (FPGA)), например, типов 1892BM3E (Multicore), 1892ВМ10Я (NVcom) и FPGAs, Virtex-7 и их перспективные версии.
В то же время, по причине непосредственной функциональной связи последовательности операций при обработке входного ШПС схема предлагаемого устройства размещается, как правило, в отдельной конструктивной единице, что обуславливает автономность (локальность) данной структуры.
Техническим результатом предлагаемого преобразователя стохастического широкополосного фазоманипулированного сигнала является то, что в нем реализуется режим работы, позволяющий избежать перегрузки в комплектующих звеньях и обеспечить на входе приемника ШПФМС стабильный по уровню (в рамках допустимых искажений) и очищенный от аддитивных шумов и сосредоточенных помех сигнал со спектральной плотностью мощности, близкой к равномерной. При этом обеспечивается динамический диапазон входного сигнала приемника ШПФМС в границах апертуры линейного режима и предотвращение перегрузки усилительных каскадов. Одновременно реализуется возможность дальнейшей, близкой к оптимальной, обработки входного сигнала в приемнике ШПФМС.