УСТРОЙСТВО ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ НЕСТАЦИОНАРНОГО КАНАЛА СВЯЗИ
DEVICE FOR ESTIMATING PARAMETERS OF TIME-VARYING COMMUNICATION CHANNEL

Изобретение относится к электросвязи и может быть использовано для формирования импульсной характеристики нестационарного канала связи.
Известен метод мониторинга импульсного шума, связанный с сетевым терминалом, сетевым узлом и администратором сети (Патент США 2010/7787483 В2, 31.08.2010), содержащий сенсор качества приема, генератор последовательности бит качества приема, два устройства памяти типа ПППО, два центральных процессора и устройство передачи последовательности бит качества приема.
Наиболее близкими по технической сущности к заявляемому устройству и выбранными в качестве прототипа являются системы и методы оценки импульсного шума (Патент США 2013/8396688 В2, 12.03.2013), представляющие из себя модуль оценки импульсного шума (impulse noise module), включающий сенсор импульсного шума (impulse noise sensor), защитный блок (protection block) и устройство оценки импульсного шума (impulse noise characterization engine), содержащее анализатор длины импульсов (impulse length analysis engine), анализатор длительности пачек импульсов (inter-arrival time analysis engine), объединитель (combiner) и блок стандартного анализа измерений импульсного шума (standard impulse noise monitoring analysis), состоящий из индикатора пачек импульсов (cluster indicator), вычислителя длительности пачек импульсов (inter-arrival time generation), вычислителя параметра защиты от импульсного шума (equivalent impulse noise protection generation), вычислителя аномалий длительностей пачек импульсов и параметра защиты от импульсного шума (equivalent impulse noise protection and inter-arrival time anomalies generation) и счетчика воздействий импульсного шума (impulse noise monitoring counters).
Выход сенсора импульсного шума подключен к входу блока стандартного анализа измерений импульсного шума и входу защитного блока. На вход индикатора пачек импульсов, который является входом блока стандартного анализа измерений импульсного шума, поступает сигнал с выхода сенсора импульсного шума. Выход индикатора пачек импульсов соединен с входом вычислителя длительности пачек импульсов и входом вычислителя параметра защиты от импульсного шума. Выход вычислителя длительности пачек импульсов и выход вычислителя параметра защиты от импульсного шума подключены к входу вычислителя аномалий длительностей пачек импульсов и параметра защиты от импульсного шума. Выход вычислителя аномалий длительностей пачек импульсов и параметра защиты от импульсного шума соединен с входом счетчика воздействий импульсного шума, который является выходом блока стандартного анализа измерений импульсного шума. Выход блока стандартного анализа измерений импульсного шума соединен с входом анализатора длины импульсов и входом анализатора длительности пачек импульсов. Выход анализатора длины импульсов и выход анализатора длительности пачек импульсов подключены к входу объединителя. Выход объединителя соединен с входом защитного блока.
Техническая проблема, существующая в данной области техники, заключается в том, что устройства оценки импульсной характеристики обладают относительно высокой погрешностью измерений импульсной характеристики нестационарного канала связи, что обусловлено отсутствием учета его нестационарности и статистик второго порядка.
Техническая проблема решается созданием устройства оценки параметров нестационарного канала связи, обеспечивающего при его использовании возможность получить снижение погрешности оценки импульсной характеристики канала связи, что обусловлено возможностью учета нестационарности канала связи и его статистик второго порядка.
Эта техническая проблема решается тем, что устройство оценки параметров нестационарного канала связи, содержащее вычислитель длительности пачек импульсов, индикатор пачек импульсов, сенсор импульсного шума, вход которого соединен с выходом канала связи, выход сенсора импульсного шума соединен с входом индикатора пачек импульсов, выход индикатора пачек импульсов подключен к входу вычислителя длительности пачек импульсов, согласно изобретению дополнено формирователем результатов измерений импульсной характеристики, вычислителем дисперсии оценки импульсной характеристики, блоком оценки импульсной характеристики, формирователем выборки, первый вход которого соединен с выходом канала связи, а второй вход - с выходом вычислителя длительности пачек импульсов, первый выход формирователя выборки подключен к входу блока оценки импульсной характеристики, а второй выход формирователя выборки соединен с первым входом вычислителя дисперсии оценки импульсной характеристики, выход блока оценки импульсной характеристики соединен со вторым входом вычислителя дисперсии оценки импульсной характеристики и первым входом формирователя результатов измерений импульсной характеристики, выход вычислителя дисперсии оценки импульсной характеристики подключен ко второму входу формирователя результатов измерений импульсной характеристики, выход формирователя результатов измерений импульсной характеристики является выходом устройства оценки параметров нестационарного канала связи.
Новая совокупность существенных признаков, а именно включение формирователя выборки 4, блока оценки импульсной характеристики 5, вычислителя дисперсии оценки импульсной характеристики 6 и формирователя результатов измерений импульсной характеристики 7, позволяет измерять величины шумов, присутствующих в канале связи, с учетом его нестационарности и статистик второго порядка и вычислять на их основе оценку импульсной характеристики канала связи.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного устройства оценки параметров нестационарного канала связи, отсутствуют. Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию патентоспособности "новизна".
Заявленное устройство может быть декомпозировано до уровня известных функциональных блоков, модулей, узлов, описанных в литературе, зарегистрированных установленным порядком в патентных реестрах. Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию "промышленная применимость".
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Заявленное устройство поясняется чертежами:
Фиг. 1 - функциональная схема устройства оценки параметров нестационарного канала связи;
Фиг. 2 - результат воздействия нестационарного шума на сигнал X;
Фиг. 3 - сравнение методов оценки импульсной характеристики.
Устройство оценки параметров нестационарного канала связи содержит сенсор импульсного шума 1, индикатор пачек импульсов 2, вычислитель длительности пачек импульсов 3, формирователь выборки 4, блок оценки импульсной характеристики 5, вычислитель дисперсии оценки импульсной характеристики 6, формирователь результатов измерений импульсной характеристики 7. На вход сенсора импульсного шума 1 поступает сигнал с выхода канала связи, выход сенсора импульсного шума 1 соединен с входом индикатора пачек импульсов 2, выход индикатора пачек импульсов 2 подключен к входу вычислителя длительности пачек импульсов 3, выход вычислителя длительности пачек импульсов 3 соединен со вторым входом формирователя выборки 4, на первый вход которого поступает сигнал с выхода канала связи, первый выход формирователя выборки 4 соединен с входом блока оценки импульсной характеристики 5, а второй выход формирователя выборки 4 подключен к первому входу вычислителя дисперсии оценки импульсной характеристики 6, выход блока оценки импульсной характеристики 5 соединен со вторым входом вычислителя дисперсии оценки импульсной характеристики 6 и первым входом формирователя результатов измерений импульсной характеристики 7, выход вычислителя дисперсии оценки импульсной характеристики 6 подключен ко второму входу формирователя результатов измерений импульсной характеристики 7, выход формирователя результатов измерений импульсной характеристики 7 является выходом устройства оценки параметров нестационарного канала связи.
Сенсор импульсного шума 1, индикатор пачек импульсов 2, вычислитель длительности пачек импульсов 3, формирователь выборки 4, блок оценки импульсной характеристики 5, вычислитель дисперсии оценки импульсной характеристики 6, формирователь результатов измерений импульсной характеристики 7 могут быть выполнены на процессорах цифровой обработки сигналов фирмы Analog Devices [http://www.analog.com/ru/products/processors-dsp/blackfin/adsp-bf607.html#product-overview].
x
z
p
а
Устройство оценки параметров нестационарного канала связи работает следующим образом. С выхода канала связи на вход сенсора импульсного шума 1 поступает сигнал, представляющий собой последовательность отсчетов (импульсов) сигнала . Сенсор импульсного шума 1 указывает, поражен ли определенный отсчет  нестационарным шумом или нет. С выхода сенсора импульсного шума 1 поступают номера пораженных отсчетов n на вход индикатора пачек импульсов 2, в котором осуществляется вычисление отсчетов, являющихся концами пачек импульсов (выборок отсчетов). Это вычисление происходит следующим образом: случай, когда расстояние между пораженными отсчетами превышает пять отсчетов, является концом пачки импульсов (выборки отсчетов) и началом новой пачки импульсов (выборки отсчетов). С выхода индикатора пачек импульсов 2 на вход вычислителя длительности пачек импульсов 3 поступают номера пораженных отсчетов, являющихся концами пачек импульсов (выборок отсчетов) n, вычисленные по вышеуказанному правилу, в котором осуществляется вычисление длительности пачек импульсов  (в числе отсчетов), которые удовлетворяют формулам (1) и (2):
где N - вектор количества отсчетов;
i
N - количество отсчетов в i-й выборке;
v - количество анализируемых выборок сигнала;
0
N - количество отсчетов в анализируемом сигнале.
k
С выхода вычислителя длительности пачек импульсов 3 поступают вычисленные длительности пачек импульсов  (в числе отсчетов) на второй вход формирователя выборки 4, также на его первый вход поступают отсчеты сигнала  из канала связи. Формирователь выборки 4 из отсчетов сигнала  выделяет выборки (пачки импульсов) , на основании длительности пачек импульсов. С первого выхода формирователя выборок 4 на вход блока оценки импульсной характеристики 5 поступают выборки  и длительности пачек импульсов , со второго выхода формирователя выборок 4 на первый вход вычислителя дисперсии оценки импульсной характеристики 6 поступают выборки . Блок оценки импульсной характеристики 5 осуществляет преобразования (3) и (4), учитывая, что отсчеты, недостающие до целого числа  в последнем наборе отсчетов  в преобразовании (4), принимаются равными нулю, таким образом, на его выходе формируются количество наборов отсчетов в i-й выборке  и вектор оценок импульсных характеристик i-х выборок , которые передаются на второй вход вычислителя дисперсии оценки импульсной характеристики 6 и первый вход формирователя результатов измерений импульсной характеристики 7.
i
где k - количество наборов отсчетов в i-й выборке;
i
N; - количество отсчетов в i-й выборке;
k - размерность наборов отсчетов (длительность измеряемой импульсной характеристики);
v - количество анализируемых выборок сигнала;
i
h - вектор оценки импульсной характеристики i-й выборки;
ij
x - j-й набор отсчетов i-й выборки.
Вычислитель дисперсии оценки импульсной характеристики 6 осуществляет преобразование (7) таким образом, на его выходе формируется дисперсия оценки импульсных характеристик i-x выборок , которая передается на второй вход формирователя результатов измерений импульсной характеристики 7, который осуществляет преобразование (6), вычисляя, таким образом, функцию правдоподобия , далее, используя преобразование (7) и учитывая равенство (8), вычисляется нормированное значение данной функции  и формируются результаты измерений импульсной характеристики h с помощью преобразования (9):
i
где d -дисперсия оценки импульсной характеристики i-й выборки;
i
k - количество наборов отсчетов в i-й выборке;
ij
x – j-й набор отсчетов i-й выборки;
i
h - вектор оценки импульсной характеристики i-й выборки;
v - количество анализируемых выборок сигнала;
Т - оператор транспонирования;
i
P - ненормированный вектор функции правдоподобия i-й выборки;
- нормированный вектор функции правдоподобия;
h - импульсная характеристика нестационарного канала связи.
В результате на выходе формирователя результатов измерений импульсной характеристики 7 образуются значения измерений импульсной характеристики h.
Экспериментальная проверка работы устройства оценки параметров нестационарного канала связи была выполнена на ЭВМ в пакете прикладной математики Mathcad 15.0 при следующих исходных данных:
1) сигнал задан случайным образом в диапазоне от -1 до 1 (крайние значения диапазона условные, эти величины в общем случае зависят от амплитуды сигнала);
2) нестационарный шум, влияющий на сигнал, также задан случайным образом в диапазоне от -1 до 1 (крайние значения диапазона условные).
Также исходные данные представлены на фиг. 2 (пунктирной линией показана смесь сигнала с нестационарным шумом, сплошной линией - сигнал).
Результаты расчета, представленные на фиг. 3 (линией с длинным пунктиром показана оценка импульсной характеристики существующим методом (метод, используемый в устройстве-прототипе), линией с коротким пунктиром показана оценка импульсной характеристики с помощью устройства оценки параметров нестационарного канала связи, сплошной - реальная импульсная характеристика), дают основания для вывода, что оценка импульсной характеристики с помощью заявленного устройства оценки параметров нестационарного канала связи более точная (по некоторым отсчетам выигрыш достигает 50%), чем у прототипа.
Таким образом, при такой совокупности существенных признаков при оценке импульсной характеристики сигнала устройством оценки параметров нестационарного канала связи имеется возможность получить снижение погрешности оценки импульсной характеристики канала связи, что обусловлено возможностью учета нестационарности канала связи и его статистик второго порядка.