ПОДАВЛЕНИЕ ПОМЕХИ В ПРИЕМНИКЕ
SUPPRESSION OF INTERFERENCE IN RECEIVER

Это изобретение относится к приемникам, таким как радиоприемники, и в частности, к способам обработки сигналов, принимаемых приемником, для подавления помехи, которая может присутствовать, и к системам, приспособленным к осуществлению или выполненным с возможностью осуществления такой обработки.
Некоторые радиосигналы передаются в таком виде, при котором информационное наполнение сигнала присутствует в двух или большем количестве спектральных областей. Например, сигналы могут передаваться в широковещательном режиме с использованием схемы модуляции, в соответствии с которой информационное наполнение помещается в две или большее количество боковых полос относительно центральной несущей частоты. Одним таким примером является сигнал, используемый в качестве спутникового навигационного сигнала правительственной службы (PRS) Галилео. Он представляет собой сигнал бинарной смещенной несущей (ВОС), в котором предполагается помещение наибольшей части передаваемой энергии в две боковые полосы, расположенные симметрично относительно центральной частоты. В момент передачи каждая боковая полоса содержит одно и то же информационное наполнение.
При многих применениях на приемнике принимаются сигналы с очень низкими уровнями. В частности, ярким примером этого являются спутниковые навигационные сигналы, при этом величина мощности сигнала, принимаемого на входных каскадах приемника, может быть на несколько порядков ниже теплового шума при наблюдении в одинаковой полосе частот. Это делает правильный прием сигналов очень зависимым от помехи как по неслучайным, так и случайным причинам.
В предшествующем уровне техники имеются способы исключения проблем, связанных с помехой. Например, имеются способы, в которых используют нули диаграммы направленности в антенной системе приемника, расположение нуля диаграммы направленности в ожидаемом направлении приходящего сигнала помехи и тем самым снижают мощность принимаемого нежелательного сигнала. Такие многоканальные способы часто являются дорогостоящими и сложными при реализации, поскольку необходимо какое-либо средство для отслеживания положения источника помех и в таком случае для управления нулем диаграммы направленности антенны или же установки его по требуемому направлению.
Кроме того, в приемниках можно осуществлять способы режекции помехи, которые работают по сигналу одного канала. Они включают в себя использование фильтров, таких как узкополосные режекторные фильтры, для удаления узкополосной тональной помехи. Такой способ можно распространить на реализацию вырезающих устройств на базе быстрого преобразования Фурье, способных удалять более сложные или более широкополосные сигналы помех.
Задача настоящего изобретения заключается в создании альтернативного способа подавления помехи для сигналов определенных видов.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложен способ обработки сигналов в приемнике, в котором передаваемый сигнал имеет эквивалентное информационное наполнение, присутствующее в по меньшей мере двух отдельных спектральных полосах, при этом способ содержит этапы, на которых:
а) измеряют мощность в каждой из по меньшей мере двух спектральных полос;
b) нормализуют измерения мощности в каждой из по меньшей мере двух спектральных полос, причем при нормализации учитывают по меньшей мере одно из i) различий усиления в сигнальной цепи приемника, ii) различий, вызываемых эффектами распространения частот, исходя из по меньшей мере двух спектральных полос, но без учета различий, вызываемых сигналами помех;
с) образуют порог на основании функции средней мощности на единицу ширины полосы частот в каждой спектральной полосе;
d) выбирают по меньшей мере одну из спектральных полос, в которой средняя мощность на единицу ширины полосы частот находится ниже порогового значения;
е) обрабатывают выбранные спектральные полосы для извлечения информационного наполнения, находящегося в них.
Варианты осуществления изобретения могут быть приспособлены для использования функции из этапа с), чтобы выбирать спектральную полосу, имеющую наименьшую нормализованную среднюю мощность на единицу ширины полосы частот, и использовать измеряемую мощность для задания порога. При задании порога на основе спектральной полосы, имеющей наименьшую нормализованную среднюю мощность на единицу ширины полосы частот, данным способом можно осуществлять режекцию любой спектральной полосы, которая находится выше порога. Таким образом, любые полосы, в которых имеется источник сильной помехи, могут быть исключены из дальнейшей обработки.
В некоторых вариантах осуществления могут использоваться другие функции, такие как, но без ограничения ими, средняя или другая усредняющая функция двух или большего количества спектральных полос.
Данный способ особенно применим к сигналам глобальной спутниковой навигационной системы в связи с очень низкими уровнями сигналов на приемнике.
По меньшей мере некоторые из этапов способа предпочтительно выполнять в сигнальном процессоре. Сигнальный процессор может быть цифровым сигнальным процессором и может быть реализован любым подходящим способом. Он может содержать один или несколько из кристалла специализированного сигнального процессора, процессора общего назначения, вентильной матрицы, программируемой пользователем, интегральной схемы прикладной ориентации или любого другого подходящего устройства. С другой стороны, один или несколько из этапов могут выполняться в отдельных устройствах.
Предпочтительно, чтобы способ мог включать в себя этап использования одного или нескольких фильтров, таких как узкополосные режекторные фильтры, которые могут использоваться для удаления известных сигналов помех до этапа нормализации.
Уровень порога можно задавать, например, на 3 дБ, 4 дБ, 6 дБ, 10 дБ или 13 дБ выше нормализованной средней мощности на единицу ширины полосы частот у спектральной полосы, имеющей наименьшую среднюю мощность на единицу ширины полосы частот. Уровень может быть фиксированным уровнем или может быть переменным. Например, уровень может быть основан на средней величине нормализованной средней мощности на единицу значений ширины полосы частот, принимаемых на протяжении временного интервала. Предпочтительно подавлять помехи, которые присутствуют на отрезке времени, коротком по сравнению с измеряемым временным интервалом.
В некоторых вариантах осуществления порог может задаваться иначе, например, в виде фиксированного значения (например, из числа значений, упомянутых в приведенном выше абзаце), более высокого, чем среднее значение нормализованной мощности на единицу ширины полосы частот, измеряемой в спектральных полосах.
Кроме того, порог можно задавать в условиях, когда известно, что сигналы помех отсутствуют. Порог также можно задавать на основе ожидаемых или теоретически прогнозируемых условий, например, при использовании модели ожидаемой помехи, обнаруживаемой в представляющих интерес частотных полосах в благоприятной ситуации (то есть, без источника помех).
Следует отметить, что термин «эквивалентная информация», имеющаяся в каждой спектральной полосе, означает, что каждая полоса содержит по существу одно и то же или очень похожее сообщение, хотя оно может быть модулировано иным образом или может быть с иными параметрами и т.д. В некоторых вариантах осуществления может требоваться прием сигналов или они могут быть выполнены с возможностью приема сигналов, в которых по меньшей мере две из спектральных полос образуются с помощью особого процесса модуляции. Например, в особом процессе модуляции могут использоваться информационный поток и модуляция его способом, при котором образуются многочисленные полосы, каждая из которых содержит одну и ту же информацию. Таким образом, в этих вариантах осуществления разнесенные по частоте спектральные полосы, образуемые таким способом, во время образования будут содержать одно и то же информационное наполнение. Такие процессы модуляции включают в себя, но без ограничения ими, амплитудную модуляцию, модуляцию сигнала бинарной смещенной несущей или любую другую модуляцию, при которой образуются идентичные боковые полосы относительно центральной частоты. Следует понимать, что приемник, в котором реализуется способ, может быть рассчитан на прием сигналов, модулированных особым известным образом, и следовательно, может также содержать демодулятор для демодуляции таких сигналов.
Если любая одна или несколько спектральных полос отличаются шириной полосы частот от любой другой из спектральных полос, то предпочтительно выполнять нормализацию ширины полосы частот, чтобы измерения мощности можно было сравнивать непосредственно. При таких обстоятельствах измерения мощности в каждой полосе можно разделить на соответствующую ширину полосы частот, чтобы образовать диаграмму мощности на единицу ширины полосы частот (эквивалентную измерению спектральной плотности мощности (СПМ)).
Некоторые варианты осуществления изобретения можно использовать для обработки сигналов, которые получают исключительно в результате выполнения одного процесса модуляции, которым образуют многочисленные спектральные полосы, имеющие (на источнике) одно и то же информационное наполнение и имеющие одну и ту же ширину полосы частот. При таких обстоятельствах для измерений мощности, получаемых в каждой полосе, не требуется нормализация ширины полосы частот, рассмотренная в приведенном выше абзаце.
Пороговый уровень можно задавать в соответствии с конкретной областью применения, в которой используется приемник. Следует понимать, что, если задавать очень низкий порог, это будет приводить к появлению спектральных полос, имеющих очень небольшие (положительные) различия нормализованной средней мощности на единицу ширины полосы частот, обесцениваемые в результате выполнения последующего процесса демодуляции. Это может оказывать результирующее отрицательное влияние на характеристики приемника, поскольку потери информационного наполнения в подвергнутой режекции спектральной полосе могут быть более сильными, чем усиление, получаемое в результате отказа от обработки слабо зашумленной полосы.
Если порог задавать слишком высоким, то потенциально очень зашумленную спектральную полосу можно впоследствии обработать, но это точно так же будет отрицательно влиять на характеристики приемника.
Поэтому имеется компромисс при выборе порогового значения, которое можно изменять между применениями. Пороговый уровень для определенного применения может быть выбран на основании, например, метода проб и ошибок, способов компьютерного моделирования или выбран произвольно. Кроме того, порог может быть адаптивным, таким, что он изменяется с течением времени в соответствии с, например, уровнями помехи, обнаруживаемой в различные моменты времени.
Спектральные полосы могут быть по существу смежными или почти смежными. Например, во многих схемах модуляции (например, сигнала бинарной смещенной несущей), используемых при передаче, спектральные полосы образуются попарно относительно центральной частоты. Поэтому спектральные полосы могут составлять эти пары. Кроме того, спектральные полосы могут содержать другие одновременные передачи одного и того же информационного наполнения. Например, сигнал может одновременно передаваться на двух или более различных частотах, как это делается относительно некоторых сигналов глобальной спутниковой навигационной системы. В этих случаях по меньшей мере некоторые из спектральных полос могут находиться на большем расстоянии друг от друга.
Практическим примером этого является код правительственной службы Галилео. Он передается в полосах частот Е1 и Е6, которые отстоят друг от друга более чем на 200 МГц. Использование специальной модуляции сигнала бинарной смещенной несущей означает, что каждая из этих полос имеет две основные боковые полосы, что приводит к получению четырех основных спектральных полос, каждая из которых содержит одно и то же навигационное информационное наполнение (хотя и модулированное различными кодами расширения спектра между полосами частот Е1 и Е6). Следует понимать, что каждая боковая полоса для определенной полосы частот Е1 или Е6 обязательно содержит одно и то же информационное наполнение во время образования модулированного сигнала. Поэтому согласно вариантам осуществления изобретения в зависимости от относительной нормализованной средней мощности уровней сигналов в полосах на единицу ширины полосы частот можно выбирать любое количество, от одной до четырех, этих спектральных полос для дальнейшей обработки.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложен сигнальный процессор для использования в приемнике, причем приемник используется при приеме передаваемых сигналов, имеющих эквивалентное информационное наполнение, присутствующее в по меньшей мере двух отдельных спектральных полосах, при этом сигнальный процессор содержит:
а) средство для измерения мощности в каждой из по меньшей мере двух спектральных полос;
b) средство нормализации для нормализации мощности в по меньшей мере двух из спектральных полос, причем при нормализации учитывается по меньшей мере одно из i) различий усиления в сигнальной цепи приемника и ii) различий, вызываемых эффектами распространения частот, исходя из по меньшей мере двух спектральных полос, но без учета различий, вызываемых сигналами помех;
с) средство обработки для образования порогового значения на основании функции нормализованной средней мощности на единицу ширины полосы частот в каждой спектральной полосе;
d) средство для выбора других спектральных полос, в которых нормализованная средняя мощность на единицу значений ширины полосы частот ниже порогового значения;
е) средство для предоставления выбранных спектральных полос средству последующей обработки.
В некоторых вариантах осуществления сигнальный процессор выполнен с возможностью выбора подлежащих обработке по меньшей мере двух полос из сигнала, образуемого в результате процесса модуляции, при котором по существу создаются по меньшей мере две полосы, имеющие одно и то же информационное наполнение.
В некоторых вариантах осуществления сигнальный процессор может дополнительно содержать фильтр, адаптированный для фильтрации известных сигналов помех до измерения мощности на этапе а). Следовательно, тем самым вносится вклад в эффективность последующих операций фильтрации.
В некоторых вариантах осуществления средство обработки для образования порога может быть предусмотрено для задания порога на более высоком уровне, чем средняя мощность на единицу ширины полосы частот у спектральной полосы, имеющей наименьшую среднюю мощность на единицу ширины полосы частот. Таким образом, можно использовать спектральную полосу, имеющую наименьшую нормализованную мощность на единицу ширины полосы частот, чтобы получать опорную мощность и затем выбирать дополнительные полосы на основании различия между измеряемой мощностью и опорной мощностью. Полосы с превышением некоторого допуска на ширину относительно опорной полосы могут быть подавлены при последующей обработке.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предложен радиоприемник, включающий в себя систему обработки из второго аспекта.
Любой признак из одного аспекта изобретения может быть применен в других аспектах изобретения в любом подходящем сочетании. В частности, аспекты способа могут применены в аспектах устройства, и наоборот.
Теперь изобретение будет только для примера описано более подробно с обращением к сопровождающим чертежам, на которых:
фиг. 1 - упрощенное представление спектра передаваемого сигнала того типа, который пригоден для вариантов осуществления настоящего изобретения, в отсутствие шума;
фиг. 2 - представление принимаемого сигнала, прошедшего в приемнике через аналоговые и первичные цифровые элементы приемной цепи, но до селекции боковых полос, описанных в этой заявке; и
фиг. 3 - представление как принимаемого спектра, так и нормализованного эквивалентного спектра, к тому же содержащих узкополосный шум с относительно высоким уровнем.
На фиг. 1 показан график спектральной плотности мощности для двух основных боковых лепестков передаваемого радиосигнала. Для простоты менее значительные боковые лепестки не показаны, но обычно они имеются в реальных сигналах. Сигнал помехи в спектре не присутствует. Спектр является частью спектра сигнала бинарной смещенной несущей (5; 2,5). Центральная частота 1600,995 находится между двумя боковыми лепестками, при этом очень небольшая мощность имеется на самой центральной частоте. Каждый из боковых лепестков содержит передаваемое информационное наполнение и поэтому информационное наполнение может быть извлечено из любого одного из боковых лепестков, если принимается достаточно сильный сигнал.
Первый вариант осуществления изобретения содержит радиоприемник, настроенный на прием передаваемого сигнала, такого как сигнал, показанный на фиг. 1. Приемник выполнен с возможностью приема и преобразования сигнала с понижением частоты, получения измерения мощности по всей ширине полосы частот соответствующего сигнала глобальной спутниковой навигационной системы. Эта ширина полосы частот известна в приемнике, поскольку в нем имеются априорные сведения о характеристиках сигнала, подлежащего обработке. После преобразования с понижением частоты сигнал, преобразованный с понижением частоты, разделяется на набор спектральных полос, приближенно согласующих ширины спектра по первым нулям основных боковых лепестков, ожидаемых в сигнале.
При практических применениях глобальной спутниковой навигационной системы ожидаемый сигнал, принимаемый на приемнике, находится значительно ниже уровня принимаемого шума.
На фиг. 2 показан спектр плотности мощности сигнала, который принимается в приемнике глобальной спутниковой навигационной системы и проходит через предварительные каскады сигнальной цепи приемника. Показаны нижняя боковая полоса (20) и верхняя боковая полоса (21), при этом они являются симметричными относительно центральной частоты (22). Можно видеть, что спектр плотности мощности нижней боковой полосы (20) имеет более высокий уровень, чем спектр плотности мощности верхней полосы, и также имеет более высокий уровень дисперсии. Возможно, что дисперсия сигнала в нижней боковой полосе (20) обусловлена сигналами помех, имеющимися в этой боковой полосе, тогда как обычно повышенный уровень боковой полосы может быть обусловлен помехой, относительными эффектами распространения или различиями в цепи приемника для разных боковых полос. В некоторых вариантах осуществления изобретения два последних эффекта удаляют (или по меньшей мере ослабляют) с помощью процесса нормализации, описываемого ниже.
Измерение мощности в спектральной полосе, последующую нормализацию и коррекцию любых различий между ширинами полос частот спектральных полос осуществляют прежде всего селекцией выбранной спектральной полосы при использовании полосового фильтра. В таком случае выполняют следующие этапы:
а) Измерение мощности на выходе полосового фильтра;
b) Умножение измеренной мощности на один или несколько скалярных поправочных множителей для нормализации известных вариаций усиления в приемнике и/или известных вариаций в среде распространения;
с) Деление результата из этапа b) на ширину полосы частот выбранной спектральной полосы, чтобы получить среднюю мощность на единицу ширины полосы частот на протяжении спектральной полосы. (Следует понимать, что этот этап с) не требуется в случаях, когда все обрабатываемые полосы имеют одну и ту же ширину полосы частот, поскольку измеренные мощности уже эффективно нормализованы относительно ширины полосы частот).
Поправочные множители можно получать различными способами. Вариации усиления можно получать на основании процедуры калибровки, например, перед использованием или во время заводской настройки (или в том и другом случае) и можно учитывать такие обстоятельства, как изрезанный профиль усиления антенны или усилителя во всех спектральных полосах. Вариации в среде распространения могут быть известны, например, из теоретических характеристик распространения или из измерений известных сигналов, полученных с помощью эталонного приемника, и в таком случае представлены в приемник, реализующий вариант осуществления изобретения.
Результатом процесса нормализации будут значения, представляющие нормализованную среднюю мощность на единицу ширины полосы частот для каждой из спектральных полос. Из этих значений большей частью удалены различия, обусловленные эффектами вариаций усиления при приеме и распространении, при этом остаются только различия, вызываемые сигналами помех.
На фиг. 3 показаны спектры из фиг. 2 после выполнения процесса нормализации, при этом они имеют нижнюю боковую полосу (30) и верхнюю боковую полосу (31), соответственно. Кроме того, для более ясного показа подробностей вертикальный масштаб увеличен. В одном варианте осуществления изобретения выбирают спектральную полосу, имеющую наименьшую нормализованную среднюю мощность на единицу ширины полосы частот, в этом случае верхнюю спектральную полосу (31).
Затем пороговое значение мощности применяют к выбранной спектральной полосе с учетом этой полосы. В пояснительных целях различные пороги показаны на фиг. 3. Первый порог (32) находится на 3 дБ выше нормализованной средней мощности на единицу ширины полосы частот, тогда как второй (33) и третий (34) пороги находятся на 6 дБ и 10 дБ выше нормированной средней мощности (35) на единицу ширины полосы частот.
Можно видеть, что два низких порога (32, 33) превышаются нормализованным спектром слева, но наиболее высокий порог находится выше всех пиков спектра. Следовательно, при задании порогового значения 3 дБ или 6 дБ только находящийся справа спектр должен выбираться для дальнейшей обработки. Однако при задании порога 10 дБ следует использовать оба спектра.
В описанном выше примере показаны только две спектральные полосы, но, конечно, в других системах могут иметься более двух релевантных спектральных полос.
Последующую обработку выбранной спектральной полосы (полос) выполняют обычным способом, подходящим для вида принимаемого сигнала. Например, в случае применения в глобальной спутниковой навигационной системе можно выполнять обработку полос для извлечения по мере необходимости временной или навигационной информации.
Примеры, показанные выше, относятся к радиосистемам, и в частности, к навигационным приемникам. Однако изобретение найдет применение в других областях техники, в которых идентичную или эквивалентную информацию кодируют в различных спектральных полосах, и следовательно, применение изобретения не ограничено радиосистемами. Кроме того, специалист в данной области техники может обосновать применение, например, в гидролокации или системах оптической связи.