СПОСОБ ОЦЕНИВАНИЯ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ/ПОМЕХА НА ДЛИТЕЛЬНОСТИ ОТРЕЗКА ГАРМОНИЧЕСКОГО КОЛЕБАНИЯ
METHOD OF ESTIMATING SIGNAL-TO-NOISE RATIO OVER SECTION OF HARMONIC OSCILLATION INTERVAL

Изобретение относится к области электросвязи и может быть использовано в системах передачи данных, при работе с заданной скоростью в одночастотном режиме без введения избыточности, для осуществления оценки качества канала связи.
В современных системах передачи информации, использующих методы многопараметрической адаптации, возникает задача оперативного и точного оценивания отношения сигнал/помеха (ОСП) в процессе передачи сообщений. Данные об ОСП на каждой элементарной посылке также необходимы для реализации процедур мягкого декодирования. Поэтому, задача определения ОСП на каждой элементарной посылке является актуальной.
В настоящее время известны методы оценки ОСП, использующие первичные параметры сигнала, такие как амплитуда, фаза, искажения фронтов посылок и т.д. [1]. Существенным недостатком этих методов является необходимость получения достаточно большого объема выборочных значений, что не позволяет формировать на их основе оценку ОСП для каждой элементарной посылки. Однако в КВ-каналах из-за наличия замираний величина ОСП на каждой элементарной посылке различается.
Известно устройство для измерения отношения сигнал/шум, описанное в патенте РФ №2332676, позволяющее путем фильтрации отделить мощность шумовой компоненты от мощности смеси сигнала и шума, формируя сигналы, пропорциональные мощности сигнала и шума. Таким образом, получается отношение сигнал/шум.
Недостатком данного способа является то, что отношение сигнал/шум устанавливается для определенного типа помехи и не учитывает возможных изменений параметров сигнала и шума, тем самым снижается точность измерения. Если мощность помехи в полосе сигнала будет отличаться от мощности помехи вне полосы, то точность данного способа резко падает.
Наиболее близким способом к заявленному является способ измерения отношения сигнал/помеха, описанный в патенте РФ №2117954, позволяющий путем накопления и корреляционной обработки фазовой информации обнаружить полезный сигнал на фоне шумов (помех) и выделить значения функции фазовых флуктуации, обусловленных влиянием помех. На основе полученных зависимостей производится анализ дисперсии фазовых флуктуаций и определение отношения сигнал/шум. Измеренное значение отношения сигнал/шум может использоваться для оценки достоверности и точности радиолокационной информации или качества каналов связи.
Измеряемое таким способом отношение сигнал/помеха получается при обработке достаточно длинного входного сигнала, так как функция фазовых флуктуации фактически представляет собой выборку значений фаз, полученных для каждого импульса сигнала (посылки сигнала). Таким образом, получить значение отношения сигнал/помеха для отдельно взятого импульса (посылки) не представляется возможным.
Целью настоящего изобретения является обеспечение получения оценки сигнал/шум на длительности элементарной посылки, обладающей более высокими точностными характеристиками при воздействии различных типов помех, при работе системы передачи данных в режиме, когда на длительности одной элементарной посылки применяется одночастотный сигнал, без введения избыточности.
Поставленная цель достигается путем обнаружения полезного сигнала, фильтрации сигнала, сравнения принятого и отфильтрованного сигнала и анализа их отличия на основе полученной зависимости оценки мощности шумовой компоненты от истинной мощности шумовой компоненты, и последующего вычисления отношения сигнал/шум на основе известной зависимости мощности принятого сигнала от мощности шумовой компоненты.
Структурная схема предложенного способа приведена на фиг.1.
Поставленная задача решается следующим образом.
Если в качестве сигнала используется отрезок гармонического колебания, то, независимо от вида модуляции и начальной фазы возможно представление сигнала в виде следующей модели:
S(t)=А·cos(ωt+φ),
где А - амплитуда сигнала, ω - круговая частота, φ - начальная фаза, t - время.
Тогда принимаемый сигнал на длительности элементарного символа на входе приемника можно представить следующим образом:
,
где B - амплитуда сигнала, ψ - начальная фаза, изменившиеся в результате воздействия канала связи, ξ(t) - помеха.
В дискретном случае:
k
X=В·cos(ωΔtk+ψ),
k
ξ=ξ(Δtk),
,
где ω - частота сигнала, Δt - интервал между двумя соседними отсчетами, k - номер отсчета, ψ - начальная фаза.
Известно, что равноотстающие отсчеты гармонического колебания частоты ω связаны между собой следующим рекуррентным соотношением:
k
k-1
k-2
X=2·cos(ωΔt)·X-X.
Воспользуемся этим соотношением для предсказания оценки значения последующего отсчета сигнала по двум предыдущим отсчетам сигнала, принятого из канала:
.
Таким образом, на каждом k-ом шаге с помощью данного прогнозируемого фильтра можно получить пару
,
. Сформировав выборку этих величин объемом N, выражение для оценки среднеквадратичного отклонения измеренного отсчета от прогнозируемого определяется выражением
Следует отметить, что все входящие в выражение величины доступны для измерения и вычисления на основе измеренных значений. Поскольку математическое ожидание
и
совпадают, поэтому оценка
является несмещенной.
Средний квадрат отклонения прогнозируемого значения от измеренного определяется также следующим образом:
где
- это дисперсия шума при измерении, то есть
.
Если характеристики шума в процессе обработки сигнала не изменяются, то
В этом случае выражение для среднего квадрата отклонения прогнозируемого значения от измеренного можно записать таким образом:
2
ш
Известно, что σ=Р, то есть это мощность шумовой компоненты. Следовательно, оценка мощности шумовой компоненты определяется следующим соотношением:
Оценка мощность смеси сигнала с шумом определяется выражением
2
Для случаев h>>1 достаточно точной оценкой является величина:
Следует отметить, что указанное условие в большинстве случаев выполняется при стабильной работе реальных систем связи.
Описываемый способ работает следующим образом.
2
Принимаемый сигнал подают на аналогово-цифровой преобразователь 1, в котором получают отсчеты сигнала, которые затем поступают в блок накопления 2, где производят их накопление на интервале времени, соответствующем длительности элементарной посылки. Далее, с блока накопления 2 накопленный массив отсчетов подают одновременно на умножитель 3, прогнозирующий фильтр 6 и умножитель 7. В умножителе 3 производят поэлементное умножение полученного массива отсчетов самого на себя, то есть производят его возведение в квадрат. Полученный новый массив подают на сумматор 4, в котором суммируют все элементы массива, и результат передают на делитель 5, в котором производят его деление на длину массива. В прогнозирующем фильтре 6 производят фильтрацию массива отсчетов и передают результат фильтрации в сумматор 8. В умножителе 7 производят умножение массива на минус один и передают полученный массив в сумматор 8. В сумматоре 8 суммируют поэлементно массивы, приходящие с прогнозирующего фильтра 6 и умножителя 7, а результат передают в умножитель 9, в котором производят поэлементное умножение полученного массива самого на себя, а результат передают в сумматор 10. В сумматоре 10 производят суммирование элементов полученного массива и передают результат в делитель 11, в котором делят полученную величину на коэффициент K=(4·cos(ωΔt)+2)·N, где ω - частота сигнала, Δt - интервал между двумя соседними отсчетами, N - длина массива. Полученный результат передают в делитель 12. В делителе 12 производят деление величины, поступающей с делителя 5 на величину, поступающую с делителя 11, получая, таким образом, искомую оценку отношения сигнал/помеха.
Литература
1. И.Т.Рожков. Синтез измерителей отношения сигнал/помеха принимаемых радиосигналов. Издательство Саратовского университета, 1991.