ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ СЕЛЕКТИВНОЙ ОЦЕНКИ ОТНОШЕНИЯ МОЩНОСТЕЙ СИГНАЛ/ПОМЕХА В РАДИОКАНАЛЕ
MEASUREMENT MODULE FOR SELECTIVE ESTIMATION OF SIGNAL-TO-NOISE POWER RATIO IN RADIO LINK

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиоприемных устройствах адаптивных систем радиосвязи, систем разнесенного приема, систем радиомониторинга и радиолокационных системах, в которых осуществляется оценка (уточнение) текущей информации о помехово-сигнальной обстановке и уровне отношения сигнал/помеха в тракте промежуточной частоты с целью адаптации к ней различных параметров радиоприемных устройств, адаптации уровней порогов обнаружения к шумам различной интенсивности в обнаружителях панорамных радиоприемных устройств, а также устройств компенсации помех.
Известен обнаружитель, в котором осуществляется измерение неизвестной интенсивности совокупных помех на его входе, значение которой затем используется для изменения уровня порога обнаружения (патент SU 1290541 A1, H04B 1/10, 15.02.1987). Недостатком обнаружителя является то, что в нем осуществляется измерение только интенсивности неизвестной совокупности помех, причем в канале, в котором сигнала нет, и отсутствует возможность производить в реальном масштабе времени оценку средней мощности обнаруживаемого сигнала и отношения сигнал/помеха в радиоканале.
s
s
и
Известен одноканальный широкополосный энергетический обнаружитель, содержащий последовательно соединенные широкополосный полосовой фильтр (со средней частотой f и полосой пропускания W равной ширине спектра сигнала), квадратичный детектор, интегратор и устройство сравнения. Такой обнаружитель обеспечивает измерение энергии (мощности) принятой реализации при конечном времени интегрирования Т и сравнение полученного результата с заданным порогом [Борисов В.И., Зинчук В.М. и др. Пространственные и вероятностно-временные характеристики эффективности станций ответных помех при подавлении линий систем радиосвязи. / Под ред. В.И Борисова. - М.: РадиоСофт, 2008. с.61-62.]. Недостатком такого измерения с применением энергетического обнаружителя является то, что в нем осуществляется измерение уровня энергии (средней мощности) совокупного сигнала в канале (смеси сигнала и шума) или шумовой составляющей.
Известен измеритель спектральной плотности мощности шума [Измерительная техника №10, 2008 г. с.51 рис.1], включающий последовательно соединенные полосовой фильтр, квадратичный детектор, интегратор и регистратор. Недостатком данного измерителя является то, что он осуществляет измерение только мощности шума в канале.
1
0
0
0
0
Известен радиоприемник [Богданович Б.М. Радиоприемные устройства с большим динамическим диапазоном. - М.: Радио и связь, 1984. - с.170-171], включающий два измерительных канала, каждый из которых отстроен по частоте на величину частотного разноса и содержит соответственно последовательно соединенные усилители, устройства установки начальных условий и детекторы. Первый канал на частоте f=f+nΔf, где n=1, 2…k, осуществляет слежение (измерение) уровня групповой (совокупной) помехи на выходе преселектора, второй, отстроенный на полосу Δf - измерение смеси сигнала и шума в полосе фильтра основной избирательности (Δf), что при априорно известном уровне шумов для данного линейного тракта приемника позволяет приближенно оценить отношение мощностей сигнал/помеха, соответственно. К недостаткам измерительной системы относятся условность и приближенность определения отношения мощностей сигнал/помеха, а также измерение отношения сигнал/помеха для помех заградительного типа с шириной спектра, большей (равной) полосе пропускания преселектора. Последнее означает, что результат измерения не соответствует прицельной помехе.
Известен измеритель уровня обнаруживаемого сигнала в радиоприемном устройстве станции помех, [Борисов В.И., Зинчук В.М. и др. Пространственные и вероятностно-временные характеристики эффективности станций ответных помех при подавлении линий систем радиосвязи. / Под ред. В.И Борисова. - М.: РадиоСофт, 2008. - с.330.], включающий последовательно соединенные полосовой фильтр, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), регистр кода уровня, устройство сравнения. Недостатком измерителя является измерение уровня совокупного сигнала (сигнал и помехи) и отсутствие возможности раздельной оценки средних мощностей сигнала и помехи в радиоканале и, как следствие, оценки в реальном масштабе времени отношения мощностей сигнал/помеха. Совместная оценка уровня аддитивной смеси сигнала и помехи приводит в этом случае к заведомому внесению в измерение ошибки, которая увеличивается с присутствием преднамеренных помех, и неадекватности полученных оценок реально сложившейся обстановке, и как следствие, ошибочному принятию решения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту [Радиоприемные устройства. Под ред. Л.Г. Барулина. - М.: Радио и связь, 1984. - с.] является устройство, предназначенное для шумовой автоматической регулировки усиления (ШАРУ) и включающее последовательно соединенные приемную антенну, линейный приемный тракт, полосовой фильтр, к выходу которого подключен квадратичный детектор, интегратор (в качестве интегратора используют фильтр нижних частот), на выходе которого при каждом шаге перестройки формируется оценка средней дисперсии совокупной (групповой) помехи для поддержания постоянным отношения сигнал/шум на выходе приемника. Существенным недостатком данного устройства является отсутствие возможности одновременной оценки средней мощности обнаруживаемого сигнала, отношения мощностей сигнал/помеха, а также низкая достоверность их совместного измерения.
Техническим результатом изобретения является повышение достоверности результатов совместного измерения средней мощности сигнала, шума и отношения мощностей сигнал/помеха в радиоканале, а также существенное сокращение времени измерения отношения мощностей сигнал/помеха за счет их параллельной обработки.
Технический результат достигается тем, что в известном устройстве, содержащем линейный приемный тракт, к входу которого подключена приемная антенна, последовательно соединенные полосовой фильтр, квадратичный детектор, интегратор (фильтр нижних частот), дополнительно введены последовательно соединенные первый и третий электронные ключи, блок выделения огибающей, элемент ИЛИ, формирователь стробирующих импульсов, устройство управления, выход которого подключен к установочному (управляющему) входу второго накопителя импульсов, второй усреднитель, вычислитель отношения, выход которого подключен к третьему входу блока индикации; последовательно соединенные дополнительный усилитель, перемножитель, второй интегратор (фильтр нижних частот), шестой электронный ключ, управляющий вход которого соединен с выходом формирователя стробирующих импульсов, второй АЦП, выход которого соединен с входом второго накопителя импульсов; последовательно соединенные вычитающее устройство, первый вход которого соединен с выходом первого интегратора, а второй вход - с выходом второго интегратора, соответственно, пятый электронный ключ, управляющий вход которого соединен с выходом формирователя стробирующих импульсов, первый АЦП, первый накопитель импульсов, установочный (управляющий) вход которого подключен к выходу устройства управления, первый усреднитель, выход которого соединен с первым входом блока индикации, при этом вторые входы первого и второго усреднителей соединены с выходом устройства управления, а второй вход блока индикации соединен с выходом второго усреднителя, выход первого усреднителя соединен со вторым входом вычислителя отношений; генератор тактовых импульсов соединен с объединенными входами второго и четвертого электронных ключей, выходы которых соединены с управляющим входом первого электронного ключа, вход которого подключен к выходу линейного приемного тракта, и вторым входом элемента ИЛИ, соответственно; объединенные управляющие входы второго, третьего и четвертого электронных ключей соединены с выходом переключателя режимов, на первый вход которого подключен потенциал +5 В, а на второй вход подключено сигнальное заземление, при этом выход первого электронного ключа подключен к второму входу перемножителя; по второму входу устройства управления устанавливается количество накапливаемых импульсов N (время накопления ),
,
где ε - заданная точность оценки измеряемой величины,
µ - надежность статистического вывода;
по четвертому входу блока индикации осуществляется «Сброс» (обнуление) показаний измерительного модуля.
Сущность изобретения заключается в использовании двух параллельных приемных каналов - когерентного и некогерентного приема, дисперсия помехи в которых при отсутствии сигнала на входе отличается в два раза, что позволяет алгоритмически, используя вычитающее устройство, производить в масштабе времени близком к реальному одновременное раздельное измерение средней дисперсии помехи и средней мощности сигнала в радиоканале, а также отношение мощностей сигнал/помеха. При этом измерение дисперсии помехи осуществляется в радиоканале независимо от наличия сигнала.
На фиг.1 показана структурная схема предлагаемого измерительного модуля селективной оценки отношения мощностей сигнал/помеха в радиоканале, который содержит приемную антенну 1, линейный приемный тракт 2, электронные ключи 3.1-3.6, генератор тактовых импульсов 4, переключатель режимов 5, полосовой фильтр 6, дополнительный усилитель 7, блок 8 выделения огибающей, квадратичный детектор 9, перемножитель 10, элемент ИЛИ 11, интеграторы (фильтры нижних частот) 12.1 и 12.2, вычитающее устройство 13, формирователь 14 стробирующих импульсов, первый и второй АЦП 15.1 и 15.2 соответственно, устройство управления 16, первый и второй накопители импульсов 17.1 и 17.2 соответственно, первый и второй усреднители 18.1 и 18.2 соответственно, вычислитель отношений 19 и блок индикации 20.
Электронные ключи 3.1-3.6 на основе известных практических схем электронных ключей (приведенных например, в кн. Применение прецизионных аналоговых микросхем / А.Г. Алексеенко, Е.А. Коломбет, Г.И. Стародуб. - Второе изд., перераб. И доп. - М.: Радио и связь, 1985, с.205-208).
Блок 8 выделения огибающей выполнен на основе последовательно соединенных блока 8.1 (амплитудный детектор) и формирователя 8.2 импульсов, выполненного, например, на основе триггера Шмитта (см. фигура 2).
u
а
u
а
Электронный ключ 3.1 предназначен для преобразования непрерывного сигнала, поступающего с выхода линейного приемного тракта, в импульсный, на длительность действия управляющего импульса τ, равного длительности анализа Т (τ=Т), осуществляя таким образом согласованную с полосовым фильтром 6 обработку совокупного сигнала.
Блок 8 выделения огибающей предназначен для выделения огибающей сигнала и формирования управляющего импульса при измерении в режиме непрерывных сигналов.
a
с
c
Формирователь 14 стробирующих импульсов предназначен для формирования стробирующего импульса по окончании времени анализа T (по спаду управляющего импульса, поступающего с выхода блока 8 выделения огибающей), с приходом которого производится отсчет уровней дисперсии помех  и мощности сигнала Р. Результаты отсчетов оценки дисперсии помех  и мощности сигнала P поступают в тракт цифровой обработки.
Накопители импульсов 17.1 и 17.2 могут быть выполнены на основе накапливающего сумматора (см., например, в кн. Цифровые радиоприемные устройства: Справочник / М.И. Жодзишский, Р.Б. Мазепа, Е.П. Овсянников и др. / Под ред. М.И. Жодзишского - М.: Радио и связь, 1990. - 208 с.: ил.)
c
Вычислитель отношений 19 выполняет арифметическую операцию деления результатов отсчетов (кодов) мощности сигнала P и дисперсии помех .
Измерительный модуль селективной оценки отношения мощностей сигнал/помеха в радиоканале работает следующим образом.
а
с
a
c
c
H
a
c
H
с
c
c
2
На вход линейного приемного тракта 2 с выхода приемной антенны 1 поступает аддитивная смесь сигнала со случайной амплитудой и начальной фазой и помех с неизвестной интенсивностью. С выхода линейного приемного тракта 2 аддитивная смесь сигнала и помех через электронный ключ 3.1 поступает на соответствующие входы полосового фильтра 6 с полосой пропускания (анализа) ΔF, определяющего размер элемента разрешения по частоте, и перемножителя 10, в котором осуществляется ее перемножение с аддитивной смесью сигнала и помех, прошедшей полосовой фильтр 6 с полосой пропускания ΔF и усиленной в дополнительном усилителе 7. Далее аддитивная смесь сигнала и помех с выхода полосового фильтра 6 поступает на квадратичный детектор 9. С выходов квадратичного детектора 9 огибающая смеси сигнала и помех, и сигнала с выхода перемножителя 10 поступают на входы соответствующих интеграторов (фильтров нижних частот) 12.1 и 12.2, в которых осуществляется накопление аддитивной смеси сигнала и помех (первый фильтр нижних частот 12.1) и только сигнала (второй фильтр нижних частот 12.2) за время анализа Т и установление (выделение) их средних значений. С выхода первого фильтра нижних частот 12.1 уровень, соответствующий мощности смеси сигнала и помех  поступает на первый вход вычитающего устройства 13, на второй вход которого и сигнальный вход ключа 3.6 с выхода второго ФНЧ 12.2 поступает отчет уровня, соответствующего среднему значению мощности сигнала y=Р. В вычитающем устройстве 13 осуществляется оценка дисперсии помех . С выхода вычитающего устройства 13 оценка дисперсии помех  поступает на вход электронного ключа 3.5. С помощью электронных ключей 3.5, а также 3.6 производится отсчет уровней с частотой, определяемой интервалом анализа T, дисперсии помех , и сигнала поступающего с выхода перемножителя 10. С выходов электронных ключей 3.5 и 3.6, которые замыкаются при поступлении на их управляющий вход стробирующих импульсов с выхода формирователя 14 стробирующих импульсов. При этом результаты отсчетов оценки дисперсии помех  и мощности сигнала P поступают на вход первого и второго АЦП 15.1 и 15.2, соответственно. Коды результатов оценки измеренных величин дисперсии помех  и мощности сигнала P далее поступают в целях получения результатов измерения с требуемой достоверностью, на первый и второй накопители 17.1 и 17.2, соответственно для их накопления за заданное время T=NT, где  [Королев В.Ю. Теория вероятностей и математическая статистика: учеб. - М.: ТК Велби, издательство Проспект, 2006. - 160 с.]; ε - заданная точность оценки измеряемой величины, µ - надежность статистического вывода. С выходов накопителей 17.1 и 17.2 коды отсчетов измеренных величин поступают на первый и второй усреднители 18.1 и 18.2, соответственно, в которых осуществляется усреднение накопленных оценок дисперсии помех  и мощности сигнала P, учитывая заданный интервал (число отсчетов N) времени накопления T. С выходов усреднителей 18.1 и 18.2 полученные результаты в виде кодов дисперсии помех  и мощности сигнала Р поступают на соответствующие входы блока индикации, в котором осуществляется преобразование двоично-десятичного кода в десятичный, необходимый для визуального отображения результатов измерений уровней помех  и сигнала P. Одновременно с выходов усреднителей 18.1 и 18.2 коды соответствующие средним значениям дисперсии помех  и мощности сигнала P, поступают на вычислитель отношений 19, в котором осуществляется вычисление их отношения q. Код измеренного отношения мощностей сигнал/помеха  с выхода вычислителя отношений 19 поступает на соответствующий вход блока индикации 20, где после преобразования двоично-десятичного кода в десятичный, отображается измеренное отношение мощностей сигнал/помеха. По сигналу «Сброс», поступающему на соответствующий вход блока индикации 20, после каждого цикла измерения (N) осуществляется обнуление показаний блока индикатора.
Предусмотрены два режима измерения.
c
Первый режим - измерение дисперсии помех , мощности сигнала P и отношения мощностей сигнал/помеха  для непрерывных сигналов на входе линейного приемного тракта.
c
Второй режим - измерение дисперсии помех , мощности сигнала P и отношения мощностей сигнал/помеха  для импульсных сигналов на входе линейного приемного тракта.
Изменение режима измерения осуществляется переключателем 5.
и
а
При установке переключателя 5 в первый режим (измерение при непрерывном сигнале на входе линейного приемного тракта) ключи 3.1-3.6 переводятся в исходное состояние, при котором ключи 3.1, 3.3, 3.5 и 3.6 нормально разомкнуты, а ключи 3.2 и 3.4 - нормально замкнуты. Сигнал с выхода генератора 4 тактовых импульсов в виде последовательности прямоугольных импульсов через нормально замкнутые ключи 3.2 и 3.4 поступают на управляющий вход ключа 3.1 и второй вход элемента ИЛИ 11, с выхода которого на вход формирователя 14 стробирующих импульсов, соответственно. Ключ 3.1 по фронту управляющего импульса с выхода генератора 4 тактовых импульсов замыкается на длительность действия управляющего импульса (τ=Т), таким образом, осуществляя преобразование непрерывного сигнала на выходе линейного приемного тракта в импульсный, согласованный с полосовым фильтром 6. В формирователе 14 стробирующих импульсов по спаду управляющего импульса осуществляется формирование стробирующего импульса, поступающего на управляющий вход электронных ключей 3.5 и 3.6, переводя их в замкнутое состояние, подключая входы АЦП 15.1 и 15.2 к соответствующим сигнальным выходам электронных ключей 3.5 и 3.6. Коды отсчетов уровней помех и сигнала с выходов АЦП 15.1 и 15.2 поступают на соответствующие входы накопителей 17.1 и 17.2. С выходов усреднителей 18.1 и 18.2 коды значений уровней (мощностей) дисперсии помех и сигнала поступают на соответствующие входы блока индикации и вычислителя отношений 19, в котором осуществляется определение отношения мощностей сигнал/помеха , код которого поступает на соответствующий вход блока индикации 20.
При установке переключателя 5 во второй режим (измерение при импульсном сигнале на входе линейного приемного тракта) ключи 3.1-3.6 переводятся в состояние, при котором ключи 3.1, 3.3, замкнуты, а ключи 3.2, 3.4-3.6 разомкнуты.
Генератор 4 тактовых импульсов в этом режиме не используется.
Импульсный сигнал с выхода линейного приемного тракта поступает через замкнутые электронные ключи 3.1 и 3.3 на вход блока 8 выделения огибающей, где осуществляется выделение его огибающей и формирование прямоугольного импульса. С выхода блока 8 выделения огибающей прямоугольный импульс через элемент ИЛИ 11 подается на вход формирователя 14 стробирующих импульсов, где по спаду импульса формируется стробирующий импульс, замыкающий электронные ключи 3.5 и 3.6 соответственно. В дальнейшем предлагаемое устройство работает как в первом режиме.
Эффективность изобретения выражается в одновременном прямом измерении средних мощностей сигнала и совокупной помехи, а также отношения мощностей сигнал/помеха в полосе пропускания основного канала радиоприема на промежуточной частоте в масштабе времени близком к реальному, результаты которого соответствуют реальной сложившейся в данный момент времени помехово-сигнальной обстановке.