СПОСОБ ПРИЕМА СВЕРХКОРОТКОИМПУЛЬСНОГО СИГНАЛА В ВИДЕ МОНОЦИКЛА ГАУССА
METHOD FOR RECEIVING ULTRASHORT PULSE SIGNAL IN FORM OF GAUSS MONOCYCLE

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в сверхширокополосных (СШП) системах связи, радиотелеметрии и телекоммуникаций, использующих сверхкоротко-импульсные (СКИ) сигналы в виде моноцикла Гаусса и осуществляющих прием этих сигналов в условиях воздействия узкополосных помех.
СКИ-сигналы в виде моноцикла Гаусса (фиг. 1), ширина спектра которых может составлять до нескольких сотен МГц при максимуме спектра на частотах ~ 1,5-2 ГГц, получают распространение в высокоскоростных системах связи, радиотелеметрии и телекоммуникаций. Для использования подобных сигналов в качестве элементарных посылок передаваемых сообщений требуется создание соответствующих СШП приемных устройств с полосой пропускания от ~ 0,5 ГГц до ~ 3 ГГц. Однако данный диапазон частот отличается наибольшим количеством постоянно функционирующих излучающих радиоэлектронных средств, способных создавать для приемных устройств СКИ-сигнала достаточно мощные узкополосные помехи, способные привести к снижению достоверности принимаемой информации. К таким средствам можно отнести передатчики цифрового телевещания, сотовой связи, систем спутниковой навигации ГЛОНАСС и GPS, радиорелейных станций и т.д. [Таблица распределения полос радиочастот между радиослужбами РФ, утвержденная постановлением Правительства РФ от 21 декабря 2011 г. №1049-34].
Известные способы борьбы с подобными помехами основаны на адаптивных и режекторных методах.
Известен способ приема сигналов в условиях узкополосных помех [Патент 2269201 РФ. МПК Н04В 1/10. Способ компенсации узкополосных помех / Пахонин В.А.; заявитель и патентообладатель Пахонин В.А.; заявлено 02.12.2004; опубликовано 27.01.2006], выбранный за аналог.
Способ-аналог основан на формировании комплексного спектра Фурье, полученного в результате дискретизации входного процесса, а также формировании из комплексного спектра Фурье зеркального по отношению к частоте несущего колебания полезного сигнала комплексного спектра временных отсчетов и последующем формировании суммы и разности этих спектров. После формирования модуля разностного спектра, деления его на два, умножении на сформированный фазовый множитель и обратного преобразования Фурье полученного произведения восстанавливают копию полезного сигнала.
Недостатками данного способа, препятствующими его применению для приема СКИ-сигнала, являются:
- сложность дискретизации входного СКИ-сигнала с помехами в реальном масштабе времени;
- необходимость снижения частоты повторения СКИ-сигналов, обусловленная применением прямого и обратного преобразования Фурье;
- необходимость значительных вычислительных и временных ресурсов;
- сложность практической реализации;
- низкая помехоустойчивость в условиях воздействия других видов помех.
Известен способ приема сигналов в условиях воздействия узкополосных помех [Патент 2456743 РФ. МПК Н04В 1/10. Способ адаптивного подавления помех / Матюшин О.Т., Варивода С.Е., Густилёв А.А., Кольцов А.В., Стелин А.В., Черноплеков А.Н.; заявитель и патентообладатель ОАО «ОКБ МЭИ», ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ»; заявлено 02.21.2011; опубликовано 20.07.2012], выбранный за аналог.
Сущность данного способа-аналога состоит в том, что автоматически формируется адаптивная к помехе передаточная функция, которая эффективно подавляет произвольные помехи с неизвестным спектром. Для формирования такой передаточной функции производится дискретизация входной смеси сигнала и помехи, разделение последовательности отсчетов на два потока, в каждом из которых производится умножение последовательности отсчетов на весовую функцию, вычисляются дискретные преобразования Фурье, производится усреднение спектров, формируется дискретная функция подавления. Далее эта функция перемножается со спектрами, вычисляются обратные дискретные преобразования Фурье, результаты делятся на весовую функцию. Выходной сигнал формируется поочередным выбором половины отсчетов каждого потока.
Недостатками данного способа-аналога, препятствующими его применению для приема СКИ-сигнала, являются:
- сложность дискретизации входного СКИ-сигнала с помехами в реальном масштабе времени;
- необходимость снижения частоты повторения СКИ-сигналов, обусловленная применением прямого и обратного преобразования Фурье;
- необходимость значительных вычислительных и временных ресурсов;
- сложность практической реализации.
Все рассмотренные выше способы-аналоги, в основу которых положены адаптивные методы подавления помех, не позволяют обеспечить помехоустойчивый прием СКИ-сигнала с высокой частотой повторения, их алгоритмы требуют оцифровки СКИ-сигнала и помех для проведения расчетных операций.
При узкополосных помехах, вид и параметры которых априори известны или могут быть определены в месте приема сообщений, используется метод входной режекции с помощью режекторных фильтров, настроенных на частоты этих помех.
Известен способ приема СКИ-сигналов с входной режекцией узкополосных помех, использующий корреляционный принцип [Обработка сверхширокополосных сигналов и помех / В.Г. Радзиевский, П.А. Трифонов. - М.: Радиотехника, 2009. С. 261, рис. 6.1.8], выбранный за аналог.
Данный способ осуществляется следующим образом.
Из спектра принимаемого СКИ-сигнала с узкополосными помехами режекцией удаляются спектральные составляющие этих помех. Далее осуществляется свертка входного СКИ-сигнала с опорным сигналом, результат которой сравнивается с заданным порогом.
Недостатками способа-аналога являются:
- необходимость формирования опорного СКИ-сигнала;
- потери энергии принимаемого СКИ-сигнала при режекции спектральных составляющих помех;
- искажения формы СКИ-сигнала, приводящие к ошибкам в принимаемых сообщениях;
- необходимость квадратурной обработки принимаемого СКИ-сигнала;
- необходимость наличия сведений об узкополосных помехах, попадающих в спектр принимаемого СКИ-сигнала.
Первый недостаток связан с корреляционным принципом приема, для обеспечения которого необходима копия излучаемого СКИ-сигнала. Формирование опорного сигнала, необходимого для приема СКИ-сигналов, представляет собой достаточно сложную задачу.
Второй недостаток связан с необходимостью режекции нескольких узкополосных сигналов помех, при которой значительная часть спектра СКИ-сигнала исключается из его структуры.
Третий недостаток связан с изменениями длительности СКИ-сигнала и его фронта, связанными с изменением спектра из-за режекции узкополосных помех, что при высоких скоростях передачи информации может привести к появлению ошибок в принимаемых сообщениях.
Четвертый недостаток связан с необходимостью исключения зависимости амплитуды выходного напряжения коррелятора от фазовых соотношений СКИ-сигнала и опорного сигнала.
Пятый недостаток связан с необходимостью наличия сведений об узкополосных помехах априори или полученных непосредственно по результатам анализа помеховой обстановки в месте приема сообщений.
Известен способ приема СКИ-сигналов с входной режекцией узкополосных помех [Обработка сверхширокополосных сигналов и помех/ В.Г. Радзиевский, П.А. Трифонов. - М.: Радиотехника, 2009. С. 259, рис. 6.1.4], выбранный за прототип.
Способ-прототип осуществляется следующим образом.
Принимаемый СКИ-сигнал (фиг. 2а) с узкополосной помехой (фиг. 2б), спектр которой находится в спектре СКИ-сигнала, с помощью входного фильтра 1 (фиг. 3) проходит предварительную фильтрацию. Далее из спектра СКИ-сигнала с помощью режекторного фильтра помех 2 (фиг. 3) вырезают спектральные составляющие помехи (фиг. 2б). Полученный сигнал, в спектре которого отсутствуют спектральные составляющие помехи (фиг. 4), сравнивают с заданным порогом порогового устройства 3 (фиг. 3).
Недостатками способа-прототипа являются:
- низкая частота повторения СКИ-сигналов в сообщении, приводящая к снижению скорости передачи информации;
- снижение энергетического потенциала радиолинии;
- необходимость наличия сведений о параметрах помехи, попадающей в спектр принимаемых СКИ-сигналов.
Первый недостаток связан с увеличением длительностей СКИ-сигнала и его фронтов, обусловленным изменением спектра из-за режекции помехи, что при высоких скоростях передачи информации может привести к появлению ошибок в принимаемых сообщениях.
Второй недостаток связан с потерями энергии принимаемых СКИ-сигналов при режекции спектральных составляющих помехи.
Третий недостаток связан с необходимостью обеспечения режекции на частоте помехи.
С увеличением количества активных узкополосных помех в спектре принимаемого СКИ-сигнала условия приема этого сигнала будут ухудшаться.
Техническим результатом предлагаемого изобретения являются помехоустойчивость приема СКИ-сигнала в условиях воздействия узкополосных помех, попадающих в его спектр, инвариантность способа к количеству этих помех, повышение скорости передачи информации при заданной достоверности ее приема.
Технический результат достигается тем, что в способе приема сверхкороткоимпульсного сигнала в виде моноцикла Гаусса в условиях воздействия узкополосных помех, включающем в себя входную фильтрацию и обнаружение сигнала по превышению амплитудой напряжения заданного порога, полученный после входной фильтрации сверхкороткоимпульсный сигнал многократно последовательно дифференцируют до получения его производной в виде квазирадиоимпульса, спектр которого транспонирован вверх по частоте, выходной фильтрацией отделяют квазирадиоимпульс от помех, выделяют детектированием его огибающую, амплитуду напряжения которой сравнивают с заданным порогом.
Кроме того, входную фильтрацию осуществляют в полосе частот, перекрывающей спектры принимаемого сверхкороткоимпульсного сигнала и его производной.
Кроме того, выходную фильтрацию осуществляют в полосе частот, равной ширине спектра производной принимаемого сверхкороткоимпульсного сигнала.
Кроме того, порядок производной при дифференцировании принимаемого сверхкороткоимпульсного сигнала определяют по взаимному положению максимума его спектра и максимума спектра наиболее высокочастотной помехи, находящейся в спектре принимаемого сверхкороткоимпульсного сигнала.
Кроме того, при отсутствии априори сведений о помехах, находящихся в спектре сверхкороткоимпульсного сигнала, порядок производной при его дифференцировании определяют по заданному уровню перекрытия высокочастотного ската спектра сверхкороткоимпульсного сигнала низкочастотным скатом его производной.
Временные и спектральные формы СКИ-сигнала и узкополосной помехи поясняют фигура 1 и фигура 2.
На фиг. 1 приведены временная и спектральная формы моноцикла Гаусса и его производных, где: а - эпюры напряжения, б - спектры (при n=1,2,3,4 в формулах (1) и (2) приложения).
На фиг. 2 приведены спектры принимаемых СКИ-сигнала и сигнала помехи, где: а - СКИ-сигнал; б - узкополосная помеха.
Способ - прототип приема СКИ-сигнала поясняют фигура 3 и фигура 4.
На фиг. 3 приведена функциональная схема, поясняющая способ -прототип приема СКИ-сигнала. На ней показаны: 1 - входной фильтр (ВФ); 2 - режекторный фильтр помех (РФП); 3 - пороговое устройство (ПУ).-
На фиг. 4 приведена спектральная форма СКИ-сигнала на выходе режекторного фильтра помех.
Предлагаемы способ приема СКИ-сигнала поясняют фиг. 5-9.
На фиг. 5 приведена функциональная схема, поясняющая предлагаемый способ приема СКИ-сигнала. На ней показаны: 1 - входной фильтр (ВФ); 4 - дифференциатор; 5 - оптимальный выходной фильтр (ОВФ); 6 - амплитудный детектор (АД); 3 пороговое устройство (ПУ).
На фиг. 6 приведены спектры СКИ-сигнала и узкополосной помехи после многократного дифференцирования, поясняющие предлагаемый способ приема СКИ-сигнала, где: а - производная СКИ-сигнала, б - производная узкополосной помехи.
На фиг. 7 приведена спектральная форма СКИ-сигнала после оптимальной фильтрации.
На фиг. 8 приведена эпюра напряжения СКИ-сигнала после оптимальной фильтрации.
На фиг. 9 приведена эпюра напряжения огибающей СКИ-сигнала после детектирования.
Предлагаемый способ приема СКИ-сигнала осуществляется следующим образом.
Как показано на фиг. 5, спектр входного СКИ-сигнала в виде моноцикла Гаусса с узкополосной помехой, спектр которой находится в спектре СКИ-сигнала, после прохождения входного фильтра 1 многократно дифференцируется дифференциатором 4. Входная фильтрация осуществляется в полосе частот, перекрывающей спектры принимаемого СКИ-сигнала и его производной. Спектр СКИ-сигнала при дифференцировании транспонируется вверх по частоте с сохранением своей ширины, а спектр узкополосной помехи остается на прежнем месте, при этом длительность СКИ-сигнала сохраняется (см. Приложение). Оптимальным выходным фильтром 5 с полосой, равной ширине спектра производной принимаемого СКИ-сигнала, полезный сигнал отделяется от спектральных составляющих производной узкополосной помехи. Результат этой фильтрации в виде квазирадиоимпульса детектируется амплитудным детектором 6 и полученная огибающая сравнивается с порогом порогового устройства 3.
При увеличении количества узкополосных помех в спектре СКИ-сигнала транспонирование его вверх по частоте сохраняется.
Порядок производной при дифференцировании принимаемого СКИ-сигнала определяют по взаимному положению максимума его спектра и максимума спектра наиболее высокочастотной помехи, находящейся в спектре принимаемого СКИ-сигнала. При отсутствии априори сведений о помехах, находящихся в спектре СКИ-сигнала, порядок производной при его дифференцировании определяют по заданному уровню перекрытия высокочастотного ската спектра СКИ-сигнала низкочастотным скатом его производной.
В качестве доказательства реализуемости предлагаемого способа на фиг. 6 показана полученная с помощью математического моделирования спектральная форма принимаемого сигнала (фиг. 2), представляющего собой сумму СКИ-сигнала в виде моноцикла Гаусса длительностью ~ 1 не и узкополосной помехи с несущей частотой ~ 2 ГГц, после 10-кратного дифференцирования. На фиг. 2 можно видеть, что СКИ-сигнал и помеха находятся в одном частотном диапазоне, тогда как на фиг. 6 видно разделение в частотном диапазоне полезного СКИ-сигала и помехи. Временная и спектральная формы сигнала, приведенного на фиг. 6, после оптимальной выходной фильтрации показаны на фиг. 7 и фиг. 8, где видно значительное уменьшение уровня помехи. На фиг. 9 показана огибающая квазирадиоимпульса (фиг. 8), выделяемая амплитудным детектированием, можно видеть, что длительность полезного сигнала сохраняется.
Таким образом, транспонирование спектра СКИ-сигнала вверх по частоте при многократном дифференцировании с сохранением ширины спектра и длительности производной СКИ-сигнала и последующая его оптимальная фильтрация позволяют отделить принимаемый СКИ-сигнал от внутриполосных узкополосных помех.
Применение способа приема СКИ-сигнала в виде моноцикла Гаусса с транспонированием спектра вверх по частоте позволяет, по сравнению с аналогами и прототипом:
- снизить вероятность блокирования приемного устройства мощными активными преднамеренными и непреднамеренными узкополосными помехами, частоты которых находятся в спекгре СКИ-сигнала;
- повысить достоверность принимаемой информации;
- обеспечить прием СКИ-сигнала в реальном масштабе времени;
- исключить потери энергии СКИ-сигнала, обусловленные режекцией помех;
- сохранить при приеме длительность СКИ-сигнала;
- повысить скорость передачи информации;
- обеспечить инвариантность к количеству узкополосных помех.
Таким образом, предлагаемый способ приема СКИ-сигнала в виде моноцикла Гаусса обладает существенными преимуществами перед аналогами и прототипом.